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JP6548688B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description

開示する本発明は、酸化物半導体を用いた半導体装置に関する。 The disclosed invention relates to a semiconductor device using an oxide semiconductor.

なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置
全般を指す。本明細書中のトランジスタは半導体装置であり、該トランジスタを含む電気
光学装置、半導体回路および電子機器は全て半導体装置に含まれる。
Note that, in the present specification, a semiconductor device refers to any device that can function by utilizing semiconductor characteristics. A transistor in this specification is a semiconductor device, and an electro-optical device, a semiconductor circuit, and an electronic device including the transistor are all included in the semiconductor device.

液晶表示装置や発光表示装置に代表されるフラットパネルディスプレイの多くに用いられ
ているトランジスタは、ガラス基板上に形成されたアモルファスシリコン、単結晶シリコ
ンまたは多結晶シリコンなどのシリコン半導体によって構成されている。また、該シリコ
ン半導体を用いたトランジスタは、集積回路(IC)などにも利用されている。
A transistor used in many flat panel displays represented by a liquid crystal display device and a light emitting display device is formed of a silicon semiconductor such as amorphous silicon, single crystal silicon or polycrystalline silicon formed on a glass substrate. . In addition, transistors using the silicon semiconductor are also used in integrated circuits (ICs) and the like.

上記シリコン半導体に代わって、半導体特性を示す金属酸化物をトランジスタに用いる技
術が注目されている。なお、本明細書中では、半導体特性を示す金属酸化物を「酸化物半
導体」とよぶことにする。
In place of the silicon semiconductor, a technique using a metal oxide exhibiting semiconductor characteristics for a transistor has attracted attention. Note that in the present specification, a metal oxide exhibiting semiconductor characteristics is referred to as an "oxide semiconductor".

例えば、酸化物半導体として、Zn−O系の金属酸化物、In−Ga−Zn−O系の金属
酸化物を用いてトランジスタを作製し、該トランジスタを表示装置の画素のスイッチング
素子などに用いる技術が開示されている(特許文献1および特許文献2参照)。
For example, a technology in which a transistor is manufactured using a Zn-O-based metal oxide or an In-Ga-Zn-O-based metal oxide as an oxide semiconductor and used for a switching element of a pixel of a display device Are disclosed (see Patent Document 1 and Patent Document 2).

また、酸化物半導体を用いたトランジスタにおいて、ソース領域およびドレイン領域と、
ソース電極およびドレイン電極との間に、緩衝層として窒素を含む導電性の高い酸化物半
導体を設けることで、酸化物半導体と、ソース電極およびドレイン電極とのコンタクト抵
抗を低減する技術が開示されている(特許文献3参照)。
In a transistor using an oxide semiconductor, a source region and a drain region,
A technique for reducing the contact resistance between an oxide semiconductor and a source electrode and a drain electrode is disclosed by providing a highly conductive oxide semiconductor containing nitrogen as a buffer layer between the source electrode and the drain electrode. (See Patent Document 3).

また、酸化物半導体を含むトップゲート構造のトランジスタにおいて、チャネル形成領域
、ソース領域およびドレイン領域をセルフアラインに形成する技術が開示されている(非
特許文献1参照)。
Further, in a top gate transistor including an oxide semiconductor, a technique for forming a channel formation region, a source region, and a drain region in a self-aligned manner is disclosed (see Non-Patent Document 1).

特開2007−123861号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2007-123861 特開2007−96055号公報JP 2007-96055 A 特開2010−135774号公報JP, 2010-135774, A

Jae Chul Park et al.,”High performance amorphous oxide thin film transistors with self−aligned top−gate structure” IEDM2009, pp191−194Jae Chul Park et al. “High performance amorphous oxide thin film transistors with self-aligned top-gate structure” IEDM 2009, pp 191-194

トランジスタを用いた集積回路の集積度を高くするためには、トランジスタの微細化が必
要である。
In order to increase the degree of integration of integrated circuits using transistors, it is necessary to miniaturize the transistors.

一般に、シリコン半導体を用いたトランジスタの微細化において、極端にチャネル長が短
縮されたトランジスタは、しきい値電圧がマイナス方向に変動するなど電気特性に変動が
生じる。この現象を抑制することは、シリコン半導体を用いたトランジスタの微細化にお
ける課題の1つである。
Generally, in miniaturization of a transistor using a silicon semiconductor, a transistor whose channel length is extremely shortened causes variation in electrical characteristics such as a threshold voltage variation in the negative direction. Suppression of this phenomenon is one of the problems in miniaturization of a transistor using a silicon semiconductor.

また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、シリコンを用いたトランジスタと比較して
、室温においてオフ電流が小さいことが知られており、これは熱励起により生じるキャリ
アが少ない、つまりキャリア密度が小さいためと考えられる。そして、キャリア密度が小
さい材料を用いたトランジスタにおいても、チャネル長を短くすることでしきい値電圧の
変動などが現れる。
In addition, a transistor using an oxide semiconductor is known to have a small off-state current at room temperature as compared to a transistor using silicon, which has few carriers generated by thermal excitation, that is, has a small carrier density. it is conceivable that. Then, even in a transistor using a material with a low carrier density, fluctuation in threshold voltage or the like appears by shortening the channel length.

そこで、本発明の一態様は、微細化による電気特性の変動が生じにくい半導体装置を提供
することを課題とする。
Therefore, an object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device in which fluctuation in electrical characteristics due to miniaturization is less likely to occur.

酸化物半導体を用いたトランジスタにおいて、該トランジスタの微細化による電気特性の
変動を抑制するためには、チャネル形成領域を含む酸化物半導体膜にドーパントを含む領
域を設けることである。詳細には、酸化物半導体膜にドーパントを含む一対の領域及びチ
ャネル形成領域を設けることである。このようにすることで、該ドレイン領域で発生し、
かつ該チャネル形成領域に加わる電界を緩和するため、しきい値電圧の変動など、チャネ
ル長を短くすることで生じる影響を低減できる。なお、本明細書において、ドーパントと
は、チャネル形成領域を含む酸化物半導体膜に添加される元素、不純物の総称である。
In a transistor using an oxide semiconductor, in order to suppress variation in electrical characteristics due to miniaturization of the transistor, a region including a dopant is provided in an oxide semiconductor film including a channel formation region. Specifically, the oxide semiconductor film is provided with a pair of regions containing a dopant and a channel formation region. By doing this, it occurs in the drain region,
In addition, in order to reduce the electric field applied to the channel formation region, it is possible to reduce the influence of shortening the channel length, such as the fluctuation of the threshold voltage. Note that in this specification, a dopant is a generic term for an element and an impurity which are added to an oxide semiconductor film including a channel formation region.

また、上記酸化物半導体膜は非単結晶であり、詳細には、該非単結晶のab面に垂直な方
向から見て、三角形、もしくは、六角形、または正三角形、もしくは正六角形の原子配列
を有し、かつc軸に垂直な方向から見て金属原子が層状または金属原子と酸素原子が層状
に配列した結晶部を含む。なお、本明細書では、該結晶部を有する酸化物半導体をCAA
C−OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Se
miconductor)とよぶことにする。また、該チャネル形成領域をCAAC−O
Sとすることで、可視光または紫外光の照射、および熱やバイアスなどが加わることによ
るトランジスタの電気特性の変動を抑制し、半導体装置の信頼性を向上させることができ
る。
In addition, the oxide semiconductor film is non-single-crystal, and in detail, viewed in a direction perpendicular to the ab plane of the non-single-crystal, the atomic arrangement of a triangle, a hexagon, an equilateral triangle, or an equilateral hexagon And a crystal part in which the metal atoms are layered or the metal atoms and the oxygen atoms are arranged in layers when viewed in the direction perpendicular to the c-axis. In this specification, an oxide semiconductor having the crystal part is referred to as a CAA.
C-OS (C Axis Aligned Crystalline Oxide Se
I will call it "miconductor". In addition, the channel formation region is referred to as a CAAC-O.
By using S, variation in the electrical characteristics of the transistor due to irradiation of visible light or ultraviolet light, heat, a bias, or the like can be suppressed, and the reliability of the semiconductor device can be improved.

また、上記ドーパントを含む領域は、多結晶を主とした複数の結晶部を有する酸化物半導
体領域で構成されている。このように、上記ドーパントを含む領域においても、複数の結
晶部を有する酸化物半導体領域とすることで、トランジスタの電気特性の変動を抑制する
ことができる。
Further, the region containing the above-described dopant is formed of an oxide semiconductor region having a plurality of crystal parts mainly made of polycrystal. Thus, also in the region including the above-described dopant, variation in electrical characteristics of the transistor can be suppressed by using the oxide semiconductor region having a plurality of crystal parts.

つまり、本発明の一態様は、第1の領域と、第1の領域を介して対向する一対の第2の領
域と、を含む酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜上に設けられるゲート絶縁膜と、ゲート
絶縁膜上に設けられて、かつ第1の領域に重畳する第1の電極と、を有し、第1の領域は
、c軸配向した結晶部を有する非単結晶の酸化物半導体領域であり、一対の第2の領域は
、ドーパントを含んで、かつ複数の結晶部を有する酸化物半導体領域である半導体装置で
ある。
That is, one embodiment of the present invention is an oxide semiconductor film including a first region and a pair of second regions facing each other with the first region interposed therebetween, and a gate insulating film provided over the oxide semiconductor film. A non-single-crystal oxide having a film and a first electrode provided over a gate insulating film and overlapping a first region, the first region having a c-axis oriented crystal part The semiconductor device is a semiconductor region, and the pair of second regions is a semiconductor device which is an oxide semiconductor region including a dopant and having a plurality of crystal parts.

また、上記ドーパントを含む領域は、複数の結晶部を有する酸化物半導体領域上に、c軸
配向した結晶部を有する非単結晶の酸化物半導体領域が設けられていてもよい。
In the region containing a dopant, a non-single-crystal oxide semiconductor region having a c-axis aligned crystal part may be provided over an oxide semiconductor region having a plurality of crystal parts.

上記酸化物半導体膜は、In、Ga、SnおよびZnから選ばれた二以上の元素を含む酸
化物半導体膜とすることが好ましい。
The oxide semiconductor film is preferably an oxide semiconductor film containing two or more elements selected from In, Ga, Sn, and Zn.

さらに、上記半導体装置は、一対の第2の領域に電気的に接続された第2の電極および第
3の電極を有する。
Further, the semiconductor device has a second electrode and a third electrode electrically connected to the pair of second regions.

一対の第2の領域は、第1の電極をマスクとし、ゲート絶縁膜を通過させてドーパントを
添加することにより、セルフアラインに形成することができる。一対の第2の領域は少な
くともソース領域およびドレイン領域として機能し、チャネル形成領域である第1の領域
の両端にドーパントを含む一対の第2の領域を設けることで、第1の領域に加わる電界を
緩和することができ、トランジスタのしきい値電圧の変動など、チャネル長を短くするこ
とで生じる影響を低減することができる。
The pair of second regions can be formed in a self-aligned manner by using the first electrode as a mask and passing the gate insulating film to add a dopant. The pair of second regions functions as at least a source region and a drain region, and an electric field applied to the first region is provided by providing a pair of second regions containing a dopant at both ends of the first region which is a channel formation region. It is possible to reduce the influence of shortening the channel length, such as fluctuation of the threshold voltage of the transistor.

また、第1の電極の側面にサイドウォール絶縁膜を設けて、該第1の電極をマスクとし、
該サイドウォール絶縁膜を通過させてドーパントを添加することにより、一対の第2の領
域よりドーパント濃度が低い一対の第3の領域をセルフアラインに形成することができる
Further, a sidewall insulating film is provided on the side surface of the first electrode, and the first electrode is used as a mask.
By passing the sidewall insulating film and adding the dopant, a pair of third regions having a lower dopant concentration than the pair of second regions can be formed in a self-aligned manner.

つまり、一対の第3の領域は、チャネル形成領域として機能する第1の領域と、一対の第
2の領域との間に形成される。一対の第3の領域よりドーパント濃度が高い一対の第2の
領域は、ソース領域およびドレイン領域として機能する。一対の第2の領域よりドーパン
ト濃度が低い一対の第3の領域は、チャネル形成領域に加わる電界を緩和する領域、すな
わち電界緩和領域として機能する。このように電界緩和領域を設けることにより、トラン
ジスタのしきい値電圧の変動など、チャネル長を短くすることで生じる影響を低減するこ
とができる。また、一対の第2の領域および一対の第3の領域ともに、複数の結晶部を有
する酸化物半導体領域で構成されている。
That is, the pair of third regions is formed between the first region functioning as a channel formation region and the pair of second regions. The pair of second regions having a higher dopant concentration than the pair of third regions functions as a source region and a drain region. The pair of third regions, which has a lower dopant concentration than the pair of second regions, functions as a region that relaxes an electric field applied to the channel formation region, that is, an electric field relaxation region. By providing the electric field relaxation region in this manner, the influence of shortening the channel length, such as fluctuation of the threshold voltage of the transistor, can be reduced. Further, the pair of second regions and the pair of third regions are each formed of an oxide semiconductor region having a plurality of crystal parts.

そこで、本発明の他の一態様は、第1の領域と、第1の領域を介して対向した一対の第2
の領域と、第1の領域および一対の第2の領域の間に設けられた一対の第3の領域と、を
含む酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜上に設けられたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上
に設けられて、かつ第1の領域に重畳する第1の電極と、を有し、第1の領域は、c軸配
向した結晶部を有する非単結晶の酸化物半導体領域であり、一対の第2の領域および一対
の第3の領域は、ドーパントを含んで、かつ複数の結晶部を有する酸化物半導体領域であ
り、一対の第2の領域のドーパント濃度は、一対の第3の領域のドーパント濃度より高い
半導体装置である。
Therefore, according to another aspect of the present invention, there is provided a first region and a pair of second regions facing each other via the first region.
An oxide semiconductor film including the first region and a pair of third regions provided between the first region and the pair of second regions; and a gate insulating film provided over the oxide semiconductor film. And a first electrode provided over the gate insulating film and overlapping the first region, and the first region includes a c-axis-oriented crystal portion and a non-single-crystal oxide semiconductor region The pair of second regions and the pair of third regions are an oxide semiconductor region including a dopant and having a plurality of crystal parts, and the dopant concentration of the pair of second regions is a pair of second regions and a pair of third regions. The semiconductor device is higher than the dopant concentration in the third region.

また、一対の第2の領域および一対の第3の領域ともに、複数の結晶部を有する酸化物半
導体領域上に、c軸配向した結晶部を有する非単結晶の酸化物半導体領域が設けられてい
てもよい。
In each of the pair of second regions and the pair of third regions, a non-single-crystal oxide semiconductor region having c-axis aligned crystal parts is provided over the oxide semiconductor region having a plurality of crystal parts. May be

例えば、一対の第2の領域および一対の第3の領域に添加されるドーパントは15族元素
またはホウ素とする。例えば、該ドーパントは、リン、砒素、およびアンチモンならびに
ホウ素から選ばれた一以上の元素とし、一対の第2の領域および一対の第3の領域に含ま
れるドーパント濃度は、5×1018cm−3以上1×1022cm−3以下が好ましい
。さらに、一対の第2の領域のドーパント濃度は、5×1020cm−3以上1×10
cm−3以下とし、一対の第3の領域のドーパント濃度は5×1018cm−3以上5
×1021cm−3未満とすることがさらに好ましい。
For example, the dopant added to the pair of second regions and the pair of third regions is a Group 15 element or boron. For example, the dopant is one or more elements selected from phosphorus, arsenic, and antimony and boron, and the dopant concentration included in the pair of second regions and the pair of third regions is 5 × 10 18 cm − 3 or more and 1 * 10 < 22 > cm < -3 > or less are preferable. Furthermore, the dopant concentration of the pair of second regions is 5 × 10 20 cm −3 or more and 1 × 10 2
And 2 cm -3 or less, the dopant concentration of the pair of third regions is 5 × 10 18 cm -3 or more 5
It is more preferable to set it as less than * 10 < 21 > cm < -3 >.

また、本発明の一態様のトランジスタはトップゲート構造のトランジスタであり、第2の
電極および第3の電極が一対の第2の領域の上面に接するトップコンタクト構造であって
もよく、一対の第2の領域の下面に接するボトムコンタクト構造であってもよい。
In addition, the transistor of one embodiment of the present invention is a top gate transistor, and the top contact structure in which the second electrode and the third electrode are in contact with the top surfaces of the pair of second regions may be employed. The bottom contact structure may be in contact with the lower surface of the two regions.

上記において、チャネル形成領域を含む酸化物半導体膜にドーパントを添加する際、第1
の電極をマスクとして、ゲート絶縁膜を通過させずにドーパントを添加してもよい。例え
ば、ゲート絶縁膜の形成される範囲を第1の領域上のみとしてもよい。
In the above, when the dopant is added to the oxide semiconductor film including the channel formation region, the first
The dopant may be added without passing through the gate insulating film, using the electrode of (1) as a mask. For example, the range in which the gate insulating film is formed may be set only on the first region.

また、ゲート絶縁膜を酸化物絶縁膜で形成し、サイドウォール絶縁膜を窒化物絶縁膜から
形成する場合、該窒化物絶縁膜および該酸化物絶縁膜のエッチングレートの違いにより、
該ゲート絶縁膜(該酸化物絶縁膜)は、該サイドウォール絶縁膜(該窒化物絶縁膜)を形
成する際のエッチングストッパーとして機能し、該ゲート絶縁膜の下面と接する酸化物半
導体膜への過剰なエッチングを抑制することができる。結果として、該ゲート絶縁膜は第
1の領域、一対の第2の領域および一対の第3の領域上に残存した構造となる。
In the case where the gate insulating film is formed of an oxide insulating film and the sidewall insulating film is formed of a nitride insulating film, the etching rates of the nitride insulating film and the oxide insulating film may be different.
The gate insulating film (the oxide insulating film) functions as an etching stopper when the sidewall insulating film (the nitride insulating film) is formed, and the oxide semiconductor film in contact with the lower surface of the gate insulating film is formed. Excessive etching can be suppressed. As a result, the gate insulating film is left over the first region, the pair of second regions, and the pair of third regions.

また、サイドウォール絶縁膜およびゲート絶縁膜を共に酸化物絶縁膜とする際は、該酸化
物絶縁膜および第1の電極のエッチングレートの違いを利用して、一対の第2の領域およ
び一対の第3の領域上に設けられている該ゲート絶縁膜をエッチングすることができる。
結果として、該ゲート絶縁膜は第1の領域上に残存した構造となる。
Further, when both the sidewall insulating film and the gate insulating film are oxide insulating films, the pair of second regions and the pair of second regions and the pair of insulating films can be formed by utilizing the difference in etching rates of the oxide insulating film and the first electrode. The gate insulating film provided over the third region can be etched.
As a result, the gate insulating film is left on the first region.

本発明の一態様によって、微細化による電気特性の変動が生じにくい半導体装置を提供す
ることができる。
According to one embodiment of the present invention, a semiconductor device in which fluctuation in electrical characteristics due to miniaturization is less likely to occur can be provided.

本発明の一態様である半導体装置の一例を示す上面図および断面図。7A and 7B are a top view and a cross-sectional view illustrating an example of a semiconductor device which is an embodiment of the present invention. 本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す図。7A to 7D illustrate a method for manufacturing a semiconductor device which is one embodiment of the present invention. 本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す図。7A to 7D illustrate a method for manufacturing a semiconductor device which is one embodiment of the present invention. 本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す図。7A to 7D illustrate a method for manufacturing a semiconductor device which is one embodiment of the present invention. 本発明の一態様である半導体装置の一例を示す上面図および断面図。7A and 7B are a top view and a cross-sectional view illustrating an example of a semiconductor device which is an embodiment of the present invention. 本発明の一態様である半導体装置の一例を示す上面図および断面図。7A and 7B are a top view and a cross-sectional view illustrating an example of a semiconductor device which is an embodiment of the present invention. 本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す図。7A to 7D illustrate a method for manufacturing a semiconductor device which is one embodiment of the present invention. 本発明の一態様である半導体装置の一例を示す断面図。FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating an example of a semiconductor device which is an embodiment of the present invention. 本発明の一態様である半導体装置の一例を示す上面図および断面図。7A and 7B are a top view and a cross-sectional view illustrating an example of a semiconductor device which is an embodiment of the present invention. 本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す図。7A to 7D illustrate a method for manufacturing a semiconductor device which is one embodiment of the present invention. 本発明の一態様である半導体装置の一例を示す上面図および断面図。7A and 7B are a top view and a cross-sectional view illustrating an example of a semiconductor device which is an embodiment of the present invention. 本発明の一態様である半導体装置の一例を示す上面図および断面図。7A and 7B are a top view and a cross-sectional view illustrating an example of a semiconductor device which is an embodiment of the present invention. 本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す図。7A to 7D illustrate a method for manufacturing a semiconductor device which is one embodiment of the present invention. 本発明の一態様である半導体装置の一例を示す断面図。FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating an example of a semiconductor device which is an embodiment of the present invention. 本発明の一態様である半導体装置の一例を示す断面図。FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating an example of a semiconductor device which is an embodiment of the present invention. 本発明の一態様である半導体装置の一例を示す断面図。FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating an example of a semiconductor device which is an embodiment of the present invention. ドーパントを添加した後の酸化物半導体の構造を示す図。The figure which shows the structure of the oxide semiconductor after adding a dopant. ドーパントを添加した前後での酸化物半導体の電子状態を示す図。FIG. 16 shows electronic states of an oxide semiconductor before and after addition of a dopant. ドーパントを添加した後の酸化物半導体の断面TEM像を示す図。FIG. 18 shows a cross-sectional TEM image of the oxide semiconductor after the addition of the dopant. 本発明の一態様である半導体装置の回路図の一例を示す図。FIG. 7 illustrates an example of a circuit diagram of a semiconductor device which is an embodiment of the present invention. 本発明の一態様である半導体装置の回路図の一例を示す図。FIG. 7 illustrates an example of a circuit diagram of a semiconductor device which is an embodiment of the present invention. 本発明の一態様である半導体装置の回路図の一例を示す図。FIG. 7 illustrates an example of a circuit diagram of a semiconductor device which is an embodiment of the present invention. 本発明の一態様である半導体装置の回路図の一例を示す図。FIG. 7 illustrates an example of a circuit diagram of a semiconductor device which is an embodiment of the present invention. CPUの具体例を示すブロック図およびその一部の回路図を示す図。The block diagram which shows the specific example of CPU, and the figure which shows the circuit diagram of the one part.

本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説
明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細
を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示
す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する本発
明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には、同一の符号を異なる図
面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。
Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it can be easily understood by those skilled in the art that various changes can be made in the form and details thereof without departing from the spirit of the present invention and the scope thereof. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments below. Note that in the structures of the present invention described below, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals in different drawings, and description of such portions is not repeated.

なお、本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、膜の厚さ、または領域は、明
瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない
It should be noted that in the figures described herein, the size of each component, the thickness of the film, or the area may be exaggerated for clarity. Therefore, it is not necessarily limited to the scale.

また、本明細書にて用いる第1、第2、第3などの用語は、構成要素の混同を避けるため
に付したものであり、数的に限定するものではない。そのため、例えば、「第1の」を「
第2の」または「第3の」などと適宜置き換えて説明することができる。
Further, the terms first, second, third and the like used in the present specification are given to avoid confusion of components, and are not limited numerically. Therefore, for example, "first"
The description can be appropriately replaced with the second "or" or the like.

本明細書において、「膜」という用語は、CVD法(プラズマCVD法などを含む。)ま
たはスパッタリング法などにより、被形成面の全面に形成されたものと、該被形成面の全
面に形成されたものに対して半導体装置の作製工程に係る処理を行った後のものと、に用
いる。
In the present specification, the term "film" is formed on the entire surface of the surface to be formed by CVD (including plasma CVD) or sputtering, etc. Are used for the semiconductor device after the process related to the manufacturing process of the semiconductor device is performed.

「ソース」や「ドレイン」の機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路
動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明
細書においては、「ソース」や「ドレイン」の用語は、入れ替えて用いることができるも
のとする。
The functions of “source” and “drain” may be switched when adopting transistors of different polarities or when the direction of current changes in circuit operation. Therefore, in the present specification, the terms "source" and "drain" can be used interchangeably.

(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様であるトランジスタの構造および作製方法について、
図1乃至図8を用いて説明する。
Embodiment 1
In this embodiment mode, a structure and a manufacturing method of a transistor which is one embodiment of the present invention
This will be described using FIGS. 1 to 8.

〈トランジスタ100の構造および特徴〉
図1(A)は、トランジスタ100の上面図である。なお、図1(A)において、下地絶
縁膜102、ゲート絶縁膜111および層間絶縁膜117は、便宜上、図示していない。
<Structure and Features of Transistor 100>
FIG. 1A is a top view of the transistor 100. FIG. Note that in FIG. 1A, the base insulating film 102, the gate insulating film 111, and the interlayer insulating film 117 are not shown for convenience.

図1(A)より、第1の電極113は、第1の領域105(図示せず)と一対の第2の領
域123a、123bとを含む酸化物半導体膜103上に設けられている。そして、第2
の電極119aは、開口部116aを介して一対の第2の領域123a、123bのうち
の123aに、第3の電極119bは開口部116bを介して123bにそれぞれ接して
設けられている。また、第2の電極119aおよび第3の電極119bは、一対の第2の
領域123a、123bの上面とそれぞれ接していることから、トランジスタ100はト
ップゲート構造かつトップコンタクト構造のトランジスタである。
As illustrated in FIG. 1A, the first electrode 113 is provided over the oxide semiconductor film 103 including a first region 105 (not shown) and a pair of second regions 123a and 123b. And the second
The electrode 119a is provided in contact with 123a of the pair of second regions 123a and 123b via the opening 116a, and the third electrode 119b is provided in contact with 123b via the opening 116b. In addition, since the second electrode 119a and the third electrode 119b are in contact with the top surfaces of the pair of second regions 123a and 123b, the transistor 100 has a top gate structure and a top contact structure.

図1(B)は、トランジスタ100におけるA−B間の断面図である。図1(B)より、
基板101上に下地絶縁膜102が設けられており、下地絶縁膜102上には、第1の領
域105、および一対の第2の領域123a、123bを含む酸化物半導体膜103が設
けられている。一対の第2の領域123a、123bは第1の領域105を介して対向し
て設けられている。
FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AB in the transistor 100. FIG. From Figure 1 (B),
The base insulating film 102 is provided over the substrate 101, and the oxide semiconductor film 103 including the first region 105 and the pair of second regions 123a and 123b is provided over the base insulating film 102. . The pair of second regions 123 a and 123 b are provided opposite to each other via the first region 105.

酸化物半導体膜103上にゲート絶縁膜111が設けられている。ゲート絶縁膜111上
には、第1の領域105と重畳した第1の電極113が設けられている。
The gate insulating film 111 is provided over the oxide semiconductor film 103. A first electrode 113 overlapping with the first region 105 is provided over the gate insulating film 111.

ゲート絶縁膜111、および第1の電極113上には、層間絶縁膜117が設けられてい
る。
An interlayer insulating film 117 is provided over the gate insulating film 111 and the first electrode 113.

第2の電極119aおよび第3の電極119bは、図1(B)に示すように、ゲート絶縁
膜111および層間絶縁膜117に設けられた開口部116a、116bを介して一対の
第2の領域123a、123bと接して設けられている。なお、ゲート絶縁膜111は、
第1の領域105、および一対の第2の領域123a、123bに接して設けられている
As illustrated in FIG. 1B, the second electrode 119a and the third electrode 119b are a pair of second regions with openings 116a and 116b provided in the gate insulating film 111 and the interlayer insulating film 117, respectively. It is provided in contact with 123a and 123b. The gate insulating film 111 is
It is provided in contact with the first region 105 and the pair of second regions 123a and 123b.

第1の領域105、および一対の第2の領域123a、123bを含む酸化物半導体膜1
03は、In、Ga、SnおよびZnから選ばれた二以上の元素を含む金属酸化物である
。なお、該金属酸化物は、バンドギャップが2eV以上、好ましくは2.5eV以上、よ
り好ましくは3eV以上のものである。このように、バンドギャップの広い金属酸化物を
用いることで、トランジスタ100のオフ電流を低減することができる。
Oxide semiconductor film 1 including a first region 105 and a pair of second regions 123a and 123b
03 is a metal oxide containing two or more elements selected from In, Ga, Sn and Zn. Note that the metal oxide has a band gap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more, more preferably 3 eV or more. Thus, by using a metal oxide with a wide band gap, the off-state current of the transistor 100 can be reduced.

また、トランジスタ100において、第1の領域105はチャネル形成領域として機能す
る。
In the transistor 100, the first region 105 functions as a channel formation region.

第1の領域105は、先に記述したCAAC−OSである。上記したように、CAAC−
OSとは、非単結晶であり、該非単結晶のab面に垂直な方向から見て、三角形もしくは
六角形、または正三角形もしくは正六角形の原子配列を有し、かつc軸に垂直な方向から
見て金属原子が層状または金属原子と酸素原子が層状に配列した結晶部を含む酸化物半導
体をいう。
The first region 105 is the CAAC-OS described above. As mentioned above, CAAC-
OS is a non-single crystal, viewed from a direction perpendicular to the ab plane of the non-single crystal, having an atomic arrangement of a triangle or a hexagon, or an equilateral triangle or a regular hexagon, and from a direction perpendicular to the c axis In this case, it refers to an oxide semiconductor including a crystal part in which metal atoms are layered or metal atoms and oxygen atoms are arranged in layers.

また、CAAC−OSは単結晶ではないが、非晶質のみから形成されているものでもない
。また、CAAC−OSは結晶部を含むが、1つの結晶部と他の結晶部の境界を明確に判
別できないこともある。
In addition, although the CAAC-OS is not a single crystal, it is not formed only from amorphous. In addition, although the CAAC-OS includes a crystal part, in some cases the boundary between one crystal part and another crystal part can not be clearly distinguished.

CAAC−OSを構成する酸素の一部は窒素で置換されてもよい。また、CAAC−OS
を構成する個々の結晶部のc軸は一定の方向(例えば、CAAC−OSが形成される基板
面やCAAC−OSの表面や膜面、界面等に垂直な方向)に揃っていてもよい。あるいは
、CAAC−OSを構成する個々の結晶部のab面の法線は一定の方向(例えば、CAA
C−OSが形成される基板面、CAAC−OSの表面や膜面、界面等に垂直な方向)を向
いていてもよい。
Some of the oxygen constituting the CAAC-OS may be replaced by nitrogen. In addition, CAAC-OS
The c-axes of the individual crystal parts constituting the may be aligned in a predetermined direction (for example, a direction perpendicular to the surface of the substrate on which the CAAC-OS is formed, the surface of the CAAC-OS, the film surface, the interface, or the like). Alternatively, the normals of the ab planes of the individual crystal parts constituting the CAAC-OS are in a predetermined direction (eg, CAA
The substrate may be oriented in a direction perpendicular to the substrate surface where the C-OS is formed, the surface or the film surface of the CAAC-OS, the interface, or the like.

CAAC−OSは、その組成等に応じて、導体であったり、半導体であったり、絶縁体で
あったりする。また、その組成等に応じて、可視光に対して透明であったり不透明であっ
たりする。
The CAAC-OS is a conductor, a semiconductor, or an insulator depending on its composition or the like. In addition, depending on the composition etc., it is transparent or opaque to visible light.

また、第1の領域105の水素濃度は、5×1018cm−3未満、好ましくは1×10
18cm−3以下、より好ましくは5×1017cm−3以下、さらに好ましくは1×1
16cm−3以下である。チャネル形成領域である第1の領域105がCAAC−OS
であり、且つ水素濃度が低減されているトランジスタ100は、光照射の前後およびBT
(ゲート・熱バイアス)ストレス試験前後において、しきい値電圧の変動が小さいことか
ら安定した電気特性を有し、信頼性の高いトランジスタといえる。
In addition, the hydrogen concentration in the first region 105 is less than 5 × 10 18 cm −3 , preferably 1 × 10 10
18 cm −3 or less, more preferably 5 × 10 17 cm −3 or less, still more preferably 1 × 1
It is 0 16 cm -3 or less. The first region 105 which is a channel formation region is a CAAC-OS.
And the hydrogen concentration is reduced, the transistor 100 before and after light irradiation and BT.
(Gate and thermal bias) Before and after a stress test, it can be said that the transistor has stable electrical characteristics and a high reliability because the fluctuation of the threshold voltage is small.

一対の第2の領域123a、123bはドーパントを含んで、かつ複数の結晶部を有する
酸化物半導体領域である。一対の第2の領域123a、123bはドーパントとして、リ
ン、砒素、およびアンチモン、ならびにホウ素から選ばれた一以上の元素が添加されてい
る。
The pair of second regions 123a and 123b is an oxide semiconductor region containing a dopant and having a plurality of crystal parts. The pair of second regions 123a and 123b is doped with one or more elements selected from phosphorus, arsenic, antimony, and boron as a dopant.

一対の第2の領域123a、123bは、ドーパントを含んで、かつ複数の結晶部を有す
る酸化物半導体領域であることにより、仮に一対の第2の領域123a、123bが、第
1の領域105と同様にドーパントを含んでいないCAAC−OSである場合(酸化物半
導体膜103すべてがドーパントを含んでいないCAAC−OSである場合)に比べて、
導電率が高い。つまり、酸化物半導体膜103のチャネル方向における抵抗成分は低減す
ることができ、トランジスタ100のオン電流を増加させることができる。
Since the pair of second regions 123a and 123b is an oxide semiconductor region containing a dopant and having a plurality of crystal parts, the pair of second regions 123a and 123b are temporarily separated from the first region 105. Similarly, in the case of a CAAC-OS which does not contain a dopant (when all of the oxide semiconductor film 103 is a CAAC-OS which does not contain a dopant),
The conductivity is high. That is, the resistance component in the channel direction of the oxide semiconductor film 103 can be reduced, and the on-state current of the transistor 100 can be increased.

そこで、一対の第2の領域123a、123bは、導電率が0.1S/cm以上1000
S/cm以下、好ましくは10S/cm以上1000S/cm以下とする。ただし、導電
率が低すぎると、トランジスタ100のオン電流が低下してしまう。また、一対の第2の
領域123a、123bの導電率を増大させるために、ドーパント濃度を増加させると、
キャリア密度を増加させることができるが、ドーパント濃度を増加させすぎると、一対の
第2の領域123a、123bの導電性を低下させる場合がある。
Therefore, the pair of second regions 123a and 123b has a conductivity of 0.1 S / cm or more and 1000 or more.
S / cm or less, preferably 10 S / cm or more and 1000 S / cm or less. However, when the conductivity is too low, the on-state current of the transistor 100 is reduced. When the dopant concentration is increased to increase the conductivity of the pair of second regions 123a and 123b,
Although the carrier density can be increased, if the dopant concentration is increased too much, the conductivity of the pair of second regions 123a and 123b may be reduced.

従って、一対の第2の領域123a、123bのドーパント濃度は、5×1018cm
以上1×1022cm−3以下であることが好ましい。また、トランジスタ100の作
製工程におけるドーパントを添加する工程で、第1の電極113はマスクとして機能し、
第1の領域105と一対の第2の領域123a、123bはセルフアラインに形成される
Therefore, the dopant concentration of the pair of second regions 123a, 123b is 5 × 10 18 cm
It is preferable that it is three or more and 1 * 10 < 22 > cm < -3 > or less. In addition, in the step of adding a dopant in the manufacturing process of the transistor 100, the first electrode 113 functions as a mask,
The first region 105 and the pair of second regions 123a and 123b are formed in a self-aligned manner.

一対の第2の領域123a、123bは、トランジスタ100において、少なくともソー
ス領域およびドレイン領域として機能する。一対の第2の領域123a、123bをチャ
ネル形成領域の第1の領域105の両端に設けることで、チャネル形成領域である第1の
領域105に加わる電界を緩和させることができる。
The pair of second regions 123 a and 123 b functions as at least a source region and a drain region in the transistor 100. By providing the pair of second regions 123 a and 123 b at both ends of the first region 105 in the channel formation region, the electric field applied to the first region 105 which is the channel formation region can be relaxed.

詳細には、一対の第2の領域123a、123bをチャネル形成領域の第1の領域105
の両端に設けることで、第1の領域105に形成されるチャネルにおけるバンド端の曲が
りを小さくする効果を示す。したがって、トランジスタ100はしきい値電圧がマイナス
方向に変動するなど、チャネル長を短くすることで生じる影響を低減できる。
Specifically, the pair of second regions 123a and 123b is used as a first region 105 of the channel formation region.
By providing at the both ends, the effect of reducing the bending of the band edge in the channel formed in the first region 105 is shown. Therefore, in the transistor 100, the influence of shortening the channel length, such as the threshold voltage fluctuating in the negative direction, can be reduced.

そして、一対の第2の領域123a、123bは、第2の電極119aおよび第3の電極
119bとの接触抵抗が低減しているため、トランジスタ100のオン電流を増加させる
ことができる。
Further, since the contact resistance between the pair of second regions 123a and 123b with the second electrode 119a and the third electrode 119b is reduced, the on-state current of the transistor 100 can be increased.

〈トランジスタ100の作製方法〉
次に、トランジスタ100の作製方法について、図2乃至図4を用いて説明する。
<Method for Manufacturing Transistor 100>
Next, a method for manufacturing the transistor 100 is described with reference to FIGS.

基板101は、材質などに大きな制限はないが、少なくとも、後の加熱処理に耐えうる程
度の耐熱性を有している必要がある。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、
サファイア基板などを、基板101として用いてもよい。また、シリコンや炭化シリコン
などの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体
基板、SOI基板などを適用することも可能であり、これらの基板上に半導体素子が設け
られたものを、基板101として用いてもよい。
The substrate 101 is not particularly limited in material and the like, but needs to have at least heat resistance enough to withstand heat treatment to be performed later. For example, a glass substrate, a ceramic substrate, a quartz substrate,
A sapphire substrate or the like may be used as the substrate 101. In addition, a single crystal semiconductor substrate such as silicon or silicon carbide, a polycrystalline semiconductor substrate, a compound semiconductor substrate such as silicon germanium, an SOI substrate, or the like can be applied, and a semiconductor element is provided on these substrates May be used as the substrate 101.

また、基板101として、可撓性基板を用いてもよい。可撓性基板上にトランジスタを設
ける場合、可撓性基板上に直接的にトランジスタを作製してもよいし、他の基板にトラン
ジスタを作製した後、これを剥離し、可撓性基板に転置してもよい。なお、トランジスタ
を剥離し、可撓性基板に転置するためには、上記他の基板とトランジスタとの間に、剥離
が容易な領域を設けるとよい。
Alternatively, a flexible substrate may be used as the substrate 101. In the case of providing a transistor on a flexible substrate, the transistor may be manufactured directly on the flexible substrate, or after manufacturing the transistor on another substrate, this is peeled off and transferred to the flexible substrate. You may Note that in order to separate the transistor and transfer it to a flexible substrate, a region in which separation is easy is preferably provided between the other substrate and the transistor.

まず、基板101上に下地絶縁膜102を形成する。下地絶縁膜102は、下記の材料を
用いて単層構造、または積層構造として形成する。
First, the base insulating film 102 is formed over the substrate 101. The base insulating film 102 is formed as a single layer structure or a stacked structure using the following materials.

また、下地絶縁膜102の材料としては、酸化シリコン、酸化ガリウム、もしくは酸化ア
ルミニウムなどの酸化物絶縁膜、または窒化シリコン、もしくは窒化アルミニウムなどの
窒化物絶縁膜、または酸化窒化シリコン、酸化窒化アルミニウム、もしくは窒化酸化シリ
コンから選ばれる絶縁膜を用いることができる。なお、下地絶縁膜102は、後に形成す
る酸化物半導体膜103と接する部分において酸素を含むことが好ましい。なお、「窒化
酸化シリコン」とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものをいい、「酸
化窒化シリコン」とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものをいう。
As a material of the base insulating film 102, an oxide insulating film such as silicon oxide, gallium oxide, or aluminum oxide, a nitride insulating film such as silicon nitride or aluminum nitride, silicon oxynitride, or aluminum oxynitride Alternatively, an insulating film selected from silicon nitride oxide can be used. Note that the base insulating film 102 preferably contains oxygen in a portion in contact with the oxide semiconductor film 103 which is to be formed later. Note that "silicon nitride oxide" refers to a composition having a nitrogen content greater than oxygen as the composition, and "silicon oxynitride" refers to a composition having an oxygen content greater than nitrogen as the composition. Say.

窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウム膜および窒化シリコン膜は、熱伝導率が高い
ため、下地絶縁膜102に用いることで、トランジスタ100の放熱性を良好にすること
ができる。
An aluminum nitride film, an aluminum nitride oxide film, and a silicon nitride film have high thermal conductivity; thus, by using the base insulating film 102, the heat dissipation of the transistor 100 can be favorable.

さらに、トランジスタ100の作製にあたり、LiやNaなどのアルカリ金属は、不純物
であるため含有量を少なくすることが好ましい。基板101にアルカリ金属などの不純物
を含むガラス基板を用いる場合、アルカリ金属の侵入防止のため、下地絶縁膜102とし
て、上記窒化物絶縁膜を形成することが好ましい。
Further, in manufacturing the transistor 100, the content of an alkali metal such as Li or Na is preferably reduced because it is an impurity. In the case where a glass substrate containing an impurity such as an alkali metal is used for the substrate 101, the nitride insulating film is preferably formed as the base insulating film 102 in order to prevent the penetration of the alkali metal.

下地絶縁膜102は、スパッタリング法、CVD法、塗布法などで形成することができる
。下地絶縁膜102の厚さに限定はないが、下地絶縁膜102の厚さは50nm以上とす
ることが好ましい。これは、下地絶縁膜102は、基板101からの不純物(例えば、L
iやNaなどのアルカリ金属など)の拡散を防止する他に、トランジスタ100の作製工
程におけるエッチング工程によって、基板101がエッチングされることを防ぐために用
いるからである。
The base insulating film 102 can be formed by a sputtering method, a CVD method, a coating method, or the like. Although the thickness of the base insulating film 102 is not limited, the thickness of the base insulating film 102 is preferably 50 nm or more. This is because the base insulating film 102 contains impurities (eg, L
This is because it is used to prevent the substrate 101 from being etched by the etching step in the manufacturing process of the transistor 100, in addition to the diffusion of alkali metals such as i and Na).

また、下地絶縁膜102は、後に形成する酸化物半導体膜103と接する部分において酸
素を含むことが好ましいことから、下地絶縁膜102として、加熱により酸素放出される
膜を用いてもよい。なお、「加熱により酸素放出される」とは、TDS(Thermal
Desorption Spectroscopy:昇温脱離ガス分光法)分析にて、
酸素原子に換算した酸素の放出量が1.0×1018cm−3以上、好ましくは3.0×
1020cm−3以上であることをいう。
Since the base insulating film 102 preferably contains oxygen in a portion in contact with the oxide semiconductor film 103 to be formed later, a film from which oxygen is released by heating may be used as the base insulating film 102. Note that “oxygen is released by heating” means TDS (Thermal
In desorption spectroscopy (heated temperature desorption gas spectroscopy) analysis,
The amount of released oxygen converted to oxygen atoms is 1.0 × 10 18 cm −3 or more, preferably 3.0 ×
It means that it is 10 20 cm -3 or more.

以下、酸素の放出量をTDS分析で酸素原子に換算して定量する方法について説明する。 Hereinafter, a method of quantifying the released amount of oxygen by converting it into an oxygen atom by TDS analysis will be described.

TDS分析したときの気体の放出量は、スペクトルの積分値に比例する。このため、絶縁
膜のスペクトルの積分値と、標準試料の基準値とを用いることにより、気体の放出量を計
算することができる。標準試料の基準値とは、所定の原子を含む試料の、スペクトルの積
分値に対する原子の密度の割合である。
The amount of gas released upon TDS analysis is proportional to the integral value of the spectrum. Therefore, the amount of released gas can be calculated by using the integral value of the spectrum of the insulating film and the reference value of the standard sample. The reference value of the standard sample is the ratio of the density of atoms to the integral value of the spectrum of a sample containing a predetermined atom.

例えば、標準試料である所定の密度の水素を含むシリコンウェハのTDS分析結果、およ
び絶縁膜のTDS分析結果から、絶縁膜の酸素分子の放出量(NO2)は、数式1で求め
ることができる。ここで、TDS分析で得られる質量数32で検出されるスペクトルの全
てが酸素分子由来と仮定する。質量数32のものとしてCHOHがあるが、存在する可
能性が低いものとしてここでは考慮しない。また、酸素原子の同位体である質量数17の
酸素原子及び質量数18の酸素原子を含む酸素分子についても、自然界における存在比率
が極微量であるため考慮しない。
For example, from the results of TDS analysis of a silicon wafer containing hydrogen of a predetermined density, which is a standard sample, and the TDS analysis result of an insulating film, the amount of released oxygen molecules (N O2 ) of the insulating film can be obtained by Equation 1. . Here, it is assumed that all of the spectra detected with a mass number of 32 obtained by TDS analysis are derived from molecular oxygen. There is CH 3 OH as mass number 32 but it is not considered here as being unlikely to be present. Further, oxygen molecules containing an oxygen atom having a mass number of 17 and an oxygen atom having a mass number of 18, which are isotopes of oxygen atoms, are not considered because the abundance ratio in the natural world is extremely small.

H2は、標準試料から脱離した水素分子を密度で換算した値である。SH2は、標準試
料をTDS分析したときのスペクトルの積分値である。ここで、標準試料の基準値を、N
H2/SH2とする。SO2は、絶縁膜をTDS分析したときのスペクトルの積分値であ
る。αは、TDS分析におけるスペクトル強度に影響する係数である。数式1の詳細に関
しては、特開平6−275697公報を参照できる。なお、上記した酸素の放出量の数値
は、電子科学株式会社製の昇温脱離分析装置EMD−WA1000S/Wを用い、標準試
料として1×1016cm−3の水素原子を含むシリコンウェハを用いて測定した数値で
ある。
N H2 is a value obtained by converting the density of hydrogen molecules desorbed from the standard sample. S H2 is an integral value of a spectrum when TDS analysis of a standard sample is performed. Here, the reference value of the standard sample is N
It is set to H2 / S H2 . SO2 is an integral value of the spectrum when TDS analysis of the insulating film is performed. α is a coefficient that affects the spectral intensity in TDS analysis. Japanese Patent Laid-Open No. 6-275697 can be referred to for the details of Formula 1. The numerical value of the amount of released oxygen mentioned above is a silicon wafer containing hydrogen atoms of 1 × 10 16 cm −3 as a standard sample, using a temperature rising desorption analyzer EMD-WA1000S / W manufactured by Electronic Science Co., Ltd. It is the numerical value measured using it.

また、TDS分析において、酸素の一部は酸素原子として検出される。酸素分子と酸素原
子の比率は、酸素分子のイオン化率から算出することができる。なお、上述のαは酸素分
子のイオン化率を含むため、酸素分子の放出量を評価することで、酸素原子の放出量につ
いても見積もることができる。
In TDS analysis, part of oxygen is detected as oxygen atoms. The ratio of oxygen molecules to oxygen atoms can be calculated from the ionization rate of oxygen molecules. In addition, since the above-mentioned alpha contains the ionization rate of an oxygen molecule, it can estimate also about the emitted amount of an oxygen atom by evaluating the emitted amount of an oxygen molecule.

なお、NO2は酸素分子の放出量である。絶縁膜においては、酸素原子に換算したときの
酸素の放出量は、酸素分子の放出量の2倍となる。
Here, NO2 is the amount of released oxygen molecules. In the insulating film, the amount of released oxygen when converted to oxygen atoms is twice the amount of released oxygen molecules.

加熱により酸素放出される膜の一例として、酸素が過剰な酸化シリコン(SiO(x>
2))がある。酸素が過剰な酸化シリコン(SiO(x>2))とは、シリコン原子数
の2倍より多い酸素原子を単位体積当たりに含むものである。単位体積当たりのシリコン
原子数および酸素原子数は、ラザフォード後方散乱法により測定した値である。
As an example of a film which releases oxygen by heating, silicon oxide (SiO x (x>
2) There is. The oxygen-excess silicon oxide (SiO x (x> 2)) contains oxygen atoms per unit volume which is more than twice the number of silicon atoms. The number of silicon atoms and the number of oxygen atoms per unit volume are values measured by the Rutherford backscattering method.

下地絶縁膜102に加熱により酸素放出される膜を用いることで、後に形成する酸化物半
導体膜103に酸素が供給され、下地絶縁膜102および酸化物半導体膜103の界面準
位を低減できる。従って、トランジスタ100の動作に起因して生じうる電荷などが、下
地絶縁膜102および酸化物半導体膜103の界面に捕獲されることを抑制でき、トラン
ジスタ100を電気特性の劣化の少ないトランジスタとすることができる。
With the use of a film from which oxygen is released by heating for the base insulating film 102, oxygen is supplied to the oxide semiconductor film 103 to be formed later, whereby interface states of the base insulating film 102 and the oxide semiconductor film 103 can be reduced. Therefore, charge that may be generated due to the operation of the transistor 100 can be prevented from being captured at the interface between the base insulating film 102 and the oxide semiconductor film 103, and the transistor 100 can be a transistor with less deterioration in electrical characteristics. Can.

次に、下地絶縁膜102上に、すべての領域においてCAAC−OSである酸化物半導体
膜130を形成する。
Next, the oxide semiconductor film 130 which is a CAAC-OS is formed over the base insulating film 102 in all regions.

すべての領域においてCAAC−OSである酸化物半導体膜130を形成する方法として
は例えば以下の2種類の方法がある。(1)1つの方法は、酸化物半導体膜を形成する工
程を、基板を加熱しながら1度行う方法であり、(2)もう1つの方法は、酸化物半導体
膜を形成する工程を2度に分けて、それぞれ酸化物半導体膜を形成した後に加熱処理を行
う方法である。
As a method for forming the oxide semiconductor film 130 which is a CAAC-OS in all the regions, there are, for example, the following two types of methods. (1) One method is a method in which the step of forming the oxide semiconductor film is performed once while heating the substrate, and (2) another method is twice the step of forming the oxide semiconductor film In each of the methods, heat treatment is performed after the oxide semiconductor film is formed.

はじめに、(1)の方法で酸化物半導体膜130を形成する場合について説明する。 First, the case where the oxide semiconductor film 130 is formed by the method (1) will be described.

下地絶縁膜102上に、基板101を加熱しながら酸化物半導体膜130を形成する(図
2(A)参照)。なお、酸化物半導体膜130は、スパッタリング法、分子線エピタキシ
ー法、原子層堆積法またはパルスレーザー蒸着法により形成すればよい。酸化物半導体膜
130の厚さとしては10nm以上100nm以下、好ましくは10nm以上30nm以
下とすればよい。
The oxide semiconductor film 130 is formed over the base insulating film 102 while heating the substrate 101 (see FIG. 2A). Note that the oxide semiconductor film 130 may be formed by a sputtering method, a molecular beam epitaxy method, an atomic layer deposition method, or a pulsed laser deposition method. The thickness of the oxide semiconductor film 130 may be 10 nm to 100 nm, preferably 10 nm to 30 nm.

酸化物半導体膜130は、In、Ga、ZnおよびSnから選ばれた2種以上を含む金属
酸化物材料を用いればよい。例えば、四元系金属酸化物であるIn−Sn−Ga−Zn−
O系の材料や、三元系金属酸化物であるIn−Ga−Zn−O系の材料、In−Sn−Z
n−O系の材料、In−Al−Zn−O系の材料、Sn−Ga−Zn−O系の材料、Al
−Ga−Zn−O系の材料、Sn−Al−Zn−O系の材料や、二元系金属酸化物である
In−Zn−O系の材料、Sn−Zn−O系の材料、Al−Zn−O系の材料、Zn−M
g−O系の材料、Sn−Mg−O系の材料、In−Mg−O系の材料、In−Ga−O系
の材料や、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛などを用いればよい。ここで、例えば、
In−Ga−Zn−O系の材料とは、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、亜鉛(Z
n)を有する酸化物、という意味であり、その組成比は特に問わない。また、InとGa
とZn以外の元素を含んでいてもよい。このとき、酸化物半導体膜の化学量論比に対し、
Oを過剰にすると好ましい。Oを過剰にすることで酸化物半導体膜の酸素欠損に起因する
キャリアの生成を抑制することができる。
For the oxide semiconductor film 130, a metal oxide material containing two or more kinds selected from In, Ga, Zn, and Sn may be used. For example, In-Sn-Ga-Zn- which is a quaternary metal oxide
O-based materials, In-Ga-Zn-O-based materials that are ternary metal oxides, In-Sn-Z
n-O-based material, In-Al-Zn-O-based material, Sn-Ga-Zn-O-based material, Al
-Ga-Zn-O-based material, Sn-Al-Zn-O-based material, In-Zn-O-based material which is binary metal oxide, Sn-Zn-O-based material, Al- Zn-O based material, Zn-M
A g-O-based material, a Sn-Mg-O-based material, an In-Mg-O-based material, an In-Ga-O-based material, indium oxide, tin oxide, zinc oxide, or the like may be used. Here, for example,
In-Ga-Zn-O-based materials include indium (In), gallium (Ga), zinc (Z
It means an oxide having n), and the composition ratio thereof is not particularly limited. Also, In and Ga
And elements other than Zn may be contained. At this time, relative to the stoichiometry ratio of the oxide semiconductor film,
An excess of O is preferred. By making O excessively, generation of carriers due to oxygen vacancies in the oxide semiconductor film can be suppressed.

酸化物半導体膜130として、In−Ga−Zn−O系の材料を用いる場合、In、Ga
、及びZnを含む金属酸化物ターゲットの一例として、In:Ga:ZnO
=1:1:1[mol数比]の組成比を有するものがある。さらに、In:Ga
:ZnO=1:1:2[mol数比]の組成比を有するターゲット、In:G
:ZnO=1:1:4[mol数比]の組成比を有するターゲット、またはIn
:Ga:ZnO=2:1:8[mol数比]の組成比を有するターゲットを
用いることもできる。
In the case of using an In-Ga-Zn-O-based material as the oxide semiconductor film 130, In, Ga,
And In 2 O 3 : Ga 2 O 3 : ZnO as an example of a metal oxide target containing Zn and Zn
Some have a composition ratio of 1: 1: 1 [molar ratio]. Furthermore, In 2 O 3 : Ga 2
A target having a composition ratio of O 3 : ZnO = 1: 1: 2 [molar ratio], In 2 O 3 : G
A target having a composition ratio of a 2 O 3 : ZnO = 1: 1: 4 [molar ratio], or In
A target having a composition ratio of 2 O 3 : Ga 2 O 3 : ZnO = 2: 1: 8 [molar ratio] can also be used.

なお、一例として、酸化物半導体膜130としてIn−Zn−O系の材料を用いる場合、
原子数比で、In/Zn=0.5以上50以下、好ましくはIn/Zn=1以上20以下
、さらに好ましくはIn/Zn=1.5以上15以下とする。InとZnの原子数比を前
述の範囲とすることで、トランジスタ100の電界効果移動度を向上させることができる
。ここで、化合物の原子数比がIn:Zn:O=X:Y:Zのとき、Z>1.5X+Yと
すると好ましい。
Note that as an example, in the case of using an In-Zn-O-based material as the oxide semiconductor film 130,
In atomic ratio, In / Zn = 0.5 or more and 50 or less, preferably In / Zn = 1 or more and 20 or less, more preferably In / Zn = 1.5 or more and 15 or less. When the atomic ratio of In and Zn is in the above range, field-effect mobility of the transistor 100 can be improved. Here, when the atomic ratio of the compounds is In: Zn: O = X: Y: Z, it is preferable to set Z> 1.5X + Y.

酸化物半導体膜として、化学式InMO(ZnO)(m>0)で表記される材料を用
いてもよい。ここで、Mは、Ga、Al、MnおよびCoから選ばれた一または複数の金
属元素を示す。例えば、Mとして、Ga、GaおよびAl、GaおよびMnまたはGaお
よびCoなどを用いてもよい。
As the oxide semiconductor film, a material represented by a chemical formula InMO 3 (ZnO) m (m> 0) may be used. Here, M represents one or more metal elements selected from Ga, Al, Mn and Co. For example, Ga, Ga and Al, Ga and Mn or Ga and Co may be used as M.

また、基板101を加熱する温度としては、150℃以上450℃以下とすればよく、好
ましくは基板温度が200℃以上350℃以下とする。なお、酸化物半導体膜130の形
成時に、基板101を加熱する温度を高くすることで、非晶質部に対して結晶部の占める
割合の多いCAAC−OSとすることができる。
The temperature for heating the substrate 101 may be 150 ° C. or more and 450 ° C. or less, preferably 200 ° C. or more and 350 ° C. or less. Note that by raising the temperature at which the substrate 101 is heated at the time of formation of the oxide semiconductor film 130, CAAC-OS in which the ratio of the crystal part to the amorphous part is high can be obtained.

次に、(2)の方法で酸化物半導体膜130を形成する場合について説明する。 Next, the case where the oxide semiconductor film 130 is formed by the method (2) will be described.

基板101を基板温度は200℃以上400℃以下に保ちながら、下地絶縁膜102の上
に1層目の酸化物半導体膜を形成し、窒素、酸素、希ガス、または乾燥空気の雰囲気下で
、550℃以上基板歪み点未満の加熱処理を行う。該加熱処理によって、1層目の酸化物
半導体膜の表面を含む領域にc軸配向した結晶(板状結晶を含む)が形成される。そして
、2層目の酸化物半導体膜を1層目の酸化物半導体膜よりも厚く形成する。その後、再び
550℃以上基板歪み点以下の加熱処理を行い、表面を含む領域に、当該c軸配向した結
晶(板状結晶を含む)が形成された1層目の酸化物半導体膜を結晶成長の種として、2層
目の酸化物半導体膜を上方に結晶成長させる。なお、1層目の酸化物半導体膜および2層
目の酸化物半導体膜は、上記した酸化物半導体膜130に適用できる金属酸化物材料を用
いればよい。なお、1層目の酸化物半導体膜は1nm以上10nm以下で形成するのが好
ましい。
A first oxide semiconductor film is formed over the base insulating film 102 while maintaining the substrate temperature at 200 ° C. to 400 ° C., and an atmosphere of nitrogen, oxygen, a rare gas, or dry air is used. Heat treatment is performed at 550 ° C. or more and less than the substrate strain point. By this heat treatment, c-axis-oriented crystals (including plate-like crystals) are formed in a region including the surface of the first oxide semiconductor film. Then, the second oxide semiconductor film is formed to be thicker than the first oxide semiconductor film. After that, heat treatment is performed again at 550 ° C. or more and the substrate strain point or less, and crystal growth is performed on the first oxide semiconductor film in which c-axis oriented crystals (including plate crystals) are formed in the region including the surface. Crystal growth of the second oxide semiconductor film upward as a seed of Note that for the first oxide semiconductor film and the second oxide semiconductor film, a metal oxide material that can be applied to the above-described oxide semiconductor film 130 may be used. Note that the first oxide semiconductor film is preferably formed to have a thickness of 1 nm to 10 nm.

スパッタリング法を用いて、方法(1)、方法(2)のいずれかで酸化物半導体膜130
を形成する際、できる限り酸化物半導体膜130に含まれる水素濃度を低減させることが
好ましい。水素濃度を低減させるには、スパッタリング装置の処理室内に供給する雰囲気
ガスとして、水素、水、水酸基または水素化物などの不純物が除去された高純度の希ガス
(代表的にはアルゴン)、酸素、および希ガスと酸素との混合ガスを適宜用いる。さらに
は、該処理室の排気は、水の排気能力の高いクライオポンプおよび水素の排気能力の高い
スパッタイオンポンプを組み合わせて用いればよい。
The oxide semiconductor film 130 is formed by a sputtering method and either method (1) or method (2).
It is preferable to reduce the concentration of hydrogen contained in the oxide semiconductor film 130 as much as possible. In order to reduce the hydrogen concentration, high-purity rare gas (typically, argon), oxygen, or the like from which impurities such as hydrogen, water, hydroxyl, or hydride are removed as an atmosphere gas supplied into the processing chamber of the sputtering apparatus. And a mixed gas of a rare gas and oxygen as appropriate. Furthermore, the exhaust of the treatment chamber may be used in combination with a cryopump having a high water evacuation capacity and a sputter ion pump having a high hydrogen evacuation capacity.

上記のようにすることで、水素の混入が低減された酸化物半導体膜130を形成すること
ができる。なお、上記スパッタリング装置を用いても、酸化物半導体膜130は少なから
ず窒素を含んで形成される。例えば、二次イオン質量分析法(SIMS:Seconda
ry Ion Mass Spectrometry)で測定される酸化物半導体膜13
0の窒素濃度は、5×1018cm−3未満となる。
By the above method, the oxide semiconductor film 130 in which the mixing of hydrogen is reduced can be formed. Note that even when using the above-described sputtering apparatus, the oxide semiconductor film 130 is formed to contain a large amount of nitrogen. For example, secondary ion mass spectrometry (SIMS: Seconda)
Oxide semiconductor film 13 measured by ry Ion Mass Spectrometry
The nitrogen concentration of 0 is less than 5 × 10 18 cm −3 .

また、下地絶縁膜102および酸化物半導体膜130は、真空下で連続して形成してもよ
い。例えば、基板101の表面に付着した水素を含む不純物を、加熱処理またはプラズマ
処理で除去した後、大気に暴露することなく下地絶縁膜102を形成し、続けて大気に暴
露することなく酸化物半導体膜130を形成してもよい。このようにすることで、基板1
01の表面に付着した水素を含む不純物を低減し、また、基板101と下地絶縁膜102
、下地絶縁膜102と酸化物半導体膜130との界面に、大気成分が付着することを抑制
できる。その結果、電気特性が良好で、信頼性の高いトランジスタ100を作製すること
ができる。
The base insulating film 102 and the oxide semiconductor film 130 may be formed successively under vacuum. For example, after the impurity including hydrogen attached to the surface of the substrate 101 is removed by heat treatment or plasma treatment, the base insulating film 102 is formed without exposure to the air, and the oxide semiconductor is continuously exposed to the air. The film 130 may be formed. By doing this, the substrate 1
Reduce impurities containing hydrogen attached to the surface of the substrate 01, and the substrate 101 and the base insulating film 102.
Further, adhesion of atmospheric components to the interface between the base insulating film 102 and the oxide semiconductor film 130 can be suppressed. As a result, the transistor 100 with favorable electrical characteristics and high reliability can be manufactured.

酸化物半導体膜130を形成する際または形成後において、酸化物半導体膜130の酸素
欠損に起因して電荷が生じる場合がある。一般に酸化物半導体における酸素欠損は、その
酸素欠損の一部がドナーとなり、キャリアである電子を生じる。つまりトランジスタ10
0においても、酸化物半導体膜130の酸素欠損の一部はドナーとなり、キャリアである
電子が生じることで、トランジスタ100のしきい値電圧がマイナス方向に変動する。そ
して、酸化物半導体膜130において、該電子の生成は、酸化物半導体膜130と下地絶
縁膜102との界面近傍で生じる酸素欠損おいて顕著である。
When or after the oxide semiconductor film 130 is formed, charge may be generated due to oxygen vacancies in the oxide semiconductor film 130. In general, part of an oxygen vacancy in an oxide semiconductor serves as a donor to generate an electron which is a carrier. In other words, transistor 10
Even in 0, part of oxygen vacancies in the oxide semiconductor film 130 serves as donors, and electrons which are carriers are generated, whereby the threshold voltage of the transistor 100 is shifted in the negative direction. In the oxide semiconductor film 130, the generation of the electrons is remarkable in the oxygen vacancies generated in the vicinity of the interface between the oxide semiconductor film 130 and the base insulating film 102.

そこで、酸化物半導体膜130を形成後に、第1の加熱処理を行い、酸化物半導体膜13
1を形成する(図2(B)参照)。
Therefore, after the oxide semiconductor film 130 is formed, first heat treatment is performed to form the oxide semiconductor film 13.
Form 1 (see FIG. 2 (B)).

第1の加熱処理は、酸化物半導体膜130から水素(水、水酸基または水素化物を含む)
を放出させると共に、下地絶縁膜102に含まれる酸素の一部を放出させ、酸化物半導体
膜130中、および下地絶縁膜102と酸化物半導体膜130との界面近傍に酸素を拡散
させる。つまり、第1の加熱処理は、下地絶縁膜102と酸化物半導体膜130との界面
準位、および酸化物半導体膜130の酸素欠損を低減させ、完成したトランジスタ100
の酸化物半導体膜103と下地絶縁膜102との界面におけるキャリア捕獲の影響を小さ
くすることができる。従って、第1の加熱処理は、トランジスタ100のしきい値電圧が
マイナス方向へ変動することを抑制することができる。
The first heat treatment is performed using hydrogen from the oxide semiconductor film 130 (including water, a hydroxyl group, or a hydride).
In addition, part of oxygen contained in the base insulating film 102 is released, and oxygen is diffused in the oxide semiconductor film 130 and in the vicinity of the interface between the base insulating film 102 and the oxide semiconductor film 130. That is, the first heat treatment reduces the interface state between the base insulating film 102 and the oxide semiconductor film 130 and oxygen vacancies in the oxide semiconductor film 130, whereby the transistor 100 is completed.
The influence of carrier capture at the interface between the oxide semiconductor film 103 and the base insulating film 102 can be reduced. Thus, the first heat treatment can suppress variation in the threshold voltage of the transistor 100 in the negative direction.

また、酸化物半導体膜130中の酸素欠損の一部だけではなく、酸化物半導体膜130中
の水素もドナーとなりキャリアである電子を生じる。第1の加熱処理によって、酸化物半
導体膜130は膜中の水素濃度が低減され、高純度化された酸化物半導体膜131となる
。酸化物半導体膜131の水素濃度は、5×1018cm−3未満、好ましくは1×10
18cm−3以下、より好ましくは5×1017cm−3以下、さらに好ましくは1×1
16cm−3以下である。なお、酸化物半導体膜131中の水素濃度は、二次イオン質
量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometr
y)で測定されるものである。
Further, not only part of oxygen vacancies in the oxide semiconductor film 130 but also hydrogen in the oxide semiconductor film 130 also serves as a donor to generate electrons as carriers. By the first heat treatment, the hydrogen concentration in the oxide semiconductor film 130 is reduced, so that the oxide semiconductor film 131 is highly purified. The hydrogen concentration of the oxide semiconductor film 131 is less than 5 × 10 18 cm −3 , preferably 1 × 10 3.
18 cm −3 or less, more preferably 5 × 10 17 cm −3 or less, still more preferably 1 × 1
It is 0 16 cm -3 or less. Note that the concentration of hydrogen in the oxide semiconductor film 131 is determined by secondary ion mass spectrometry (SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometr).
y) is measured.

第1の加熱処理によって、水素濃度が十分に低減されて高純度化され、且つ十分な酸素を
供給されて酸素欠損に起因する欠陥準位が低減された酸化物半導体膜131を用いること
で、トランジスタ100のオフ電流を低減させることができる。具体的には、室温(25
℃)でのオフ電流(ここでは、単位チャネル幅(1μm)あたりの値)は100zA(1
zA(ゼプトアンペア)は1×10−21A)以下、望ましくは10zA以下となる。な
お、LiやNaなどのアルカリ金属は、不純物であるため含有量を少なくすることが好ま
しく、酸化物半導体膜131中に2×1016cm−3以下、好ましくは、1×1015
cm−3以下の濃度とすることが好ましい。さらに、アルカリ土類金属も不純物であるた
め含有量を少なくすることが好ましい。
By using the oxide semiconductor film 131 in which the hydrogen concentration is sufficiently reduced and highly purified by the first heat treatment and sufficient oxygen is supplied to reduce defect levels due to oxygen vacancies, The off current of the transistor 100 can be reduced. Specifically, room temperature (25
Off current (in this case, the value per unit channel width (1 μm)) is 100 zA (1
zA (zept ampere) is 1 × 10 −21 A) or less, preferably 10 zA or less. Note that since an alkali metal such as Li or Na is an impurity, the content is preferably reduced, and the content is 2 × 10 16 cm −3 or less, preferably 1 × 10 15 or less in the oxide semiconductor film 131.
It is preferable to set it as the density | concentration of cm < -3 > or less. Furthermore, since the alkaline earth metal is also an impurity, it is preferable to reduce the content.

第1の加熱処理の温度は、150℃以上基板歪み点温度未満、好ましくは250℃以上4
50℃以下、さらに好ましくは300℃以上450℃以下とし、酸化性雰囲気または不活
性雰囲気で行う。ここで、酸化性雰囲気は、酸素、オゾンまたは窒化酸素などの酸化性ガ
スを10ppm以上含有する雰囲気をいう。また、不活性雰囲気は、前述の酸化性ガスが
10ppm未満であり、その他、窒素または希ガスで充填された雰囲気をいう。処理時間
は3分〜24時間とする。24時間を超える加熱処理は生産性の低下を招くため好ましく
ない。
The temperature of the first heat treatment is 150 ° C. or more and less than the substrate strain point temperature, preferably 250 ° C. or more.
The heating is performed at 50 ° C. or less, more preferably 300 ° C. to 450 ° C., in an oxidizing atmosphere or an inert atmosphere. Here, the oxidizing atmosphere refers to an atmosphere containing 10 ppm or more of an oxidizing gas such as oxygen, ozone, or nitrogen oxide. In addition, the inert atmosphere is an atmosphere containing less than 10 ppm of the aforementioned oxidizing gas, and additionally filled with nitrogen or a rare gas. Treatment time is 3 minutes to 24 hours. Heat treatment for more than 24 hours is not preferable because it causes a decrease in productivity.

第1の加熱処理に用いる加熱装置に特別な限定はなく、抵抗発熱体などの発熱体からの熱
伝導または熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を備えていてもよい。例えば、電気
炉や、GRTA(Gas Rapid Thermal Anneal)装置、LRTA
(Lamp Rapid Thermal Anneal)装置等のRTA(Rapid
Thermal Anneal)装置を用いることができる。LRTA装置は、ハロゲ
ンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧
ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光(電磁波)の輻射により、
被処理物を加熱する装置である。GRTA装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装
置である。
There is no particular limitation on the heating device used for the first heat treatment, and a device for heating the object by heat conduction or heat radiation from a heating element such as a resistance heating element may be provided. For example, electric furnace, GRTA (Gas Rapid Thermal Anneal) apparatus, LRTA
RTA (rapid rapid thermal annealing) equipment
Thermal Anneal) equipment can be used. The LRTA device is based on the radiation of light (electromagnetic waves) emitted from lamps such as halogen lamps, metal halide lamps, xenon arc lamps, carbon arc lamps, high pressure sodium lamps and high pressure mercury lamps.
It is an apparatus for heating an object to be treated. The GRTA apparatus is an apparatus that performs heat treatment using a high temperature gas.

次に、フォトリソグラフィ工程によりレジストマスクを酸化物半導体膜131上に形成し
、該レジストマスクを用いて、酸化物半導体膜131を所望の形状にエッチングし、島状
の酸化物半導体膜132を形成する(図2(C)参照)。なお、該レジストマスクは、フ
ォトリソグラフィ工程の他にインクジェット法、印刷法等を適宜用いることができる。該
エッチングは、島状の酸化物半導体膜132の端部がテーパ形状となるようにエッチング
することが好ましい。島状の酸化物半導体膜132の端部をテーパ形状とすることで、本
工程以降のトランジスタ100の作製において、形成される膜の被覆性を向上させること
ができ、該膜の断切れを防止することができる。テーパ形状は、該レジストマスクを後退
させつつエッチングすることで形成することができる。
Next, a resist mask is formed over the oxide semiconductor film 131 by a photolithography step, and the oxide semiconductor film 131 is etched into a desired shape using the resist mask to form an island-shaped oxide semiconductor film 132. (See FIG. 2C). Note that as the resist mask, an inkjet method, a printing method, or the like can be used as appropriate in addition to the photolithography step. The etching is preferably performed so that an end portion of the island-shaped oxide semiconductor film 132 has a tapered shape. By forming the end portion of the island-shaped oxide semiconductor film 132 into a tapered shape, coverage with a film to be formed can be improved in manufacturing the transistor 100 in and after this step, and breakage of the film can be prevented. can do. The tapered shape can be formed by etching while retracting the resist mask.

本工程におけるエッチング処理は、ドライエッチングまたはウェットエッチングで行うこ
とができ、これらを組み合わせて行ってもよい。ウェットエッチングするエッチング液と
しては、燐酸と酢酸と硝酸を混ぜた溶液、アンモニア過水(31重量%過酸化水素水:2
8重量%アンモニア水:水=5:2:2(体積比))などを用いることができる。また、
ITO07N(関東化学社製)を用いてもよい。
The etching process in this step can be performed by dry etching or wet etching, and these may be performed in combination. As an etching solution for wet etching, a mixed solution of phosphoric acid, acetic acid and nitric acid, ammonia peroxide (31 wt% hydrogen peroxide solution: 2)
8% by weight ammonia water: water = 5: 2: 2 (volume ratio) or the like can be used. Also,
You may use ITO07N (made by Kanto Chemical Co., Ltd.).

ドライエッチングに用いるエッチングガスとしては、塩素を含むガス(塩素系ガス、例え
ば塩素(Cl)、三塩化硼素(BCl)、四塩化珪素(SiCl)、四塩化炭素(
CCl)など)が好ましい。
As an etching gas used for dry etching, a gas containing chlorine (chlorinated gas such as chlorine (Cl 2 ), boron trichloride (BCl 3 ), silicon tetrachloride (SiCl 4 ), carbon tetrachloride (
CCl 4 ) and the like are preferred.

また、フッ素を含むガス(フッ素系ガス、例えば四弗化炭素(CF)、六弗化硫黄(S
)、三弗化窒素(NF)、トリフルオロメタン(CHF)など)、臭化水素(H
Br)、酸素(O)、これらのガスにヘリウム(He)やアルゴン(Ar)などの希ガ
スを添加したガス、などを用いることができる。
In addition, a gas containing fluorine (fluorinated gas such as carbon tetrafluoride (CF 4 ), sulfur hexafluoride (S
F 6 ), nitrogen trifluoride (NF 3 ), trifluoromethane (CHF 3 ), etc., hydrogen bromide (H
It is possible to use Br), oxygen (O 2 ), a gas obtained by adding a rare gas such as helium (He) or argon (Ar) to these gases, or the like.

ドライエッチングとしては、平行平板型RIE(Reactive Ion Etchi
ng)法や、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結
合型プラズマ)エッチング法を用いることができる。所望の形状に加工できるように、エ
ッチング条件(コイル型の電極に印加される電力量、基板側の電極に印加される電力量、
基板側の電極温度など)を適宜調節する。
As dry etching, parallel plate type RIE (Reactive Ion Etchi) is used.
and the ICP (Inductively Coupled Plasma) etching method can be used. Etching conditions (amount of power applied to the coil-type electrode, amount of power applied to the substrate-side electrode,
Adjust the electrode temperature etc. of the substrate side appropriately.

次に、酸化物半導体膜132上に、ゲート絶縁膜111を形成する。ゲート絶縁膜111
は、下地絶縁膜102に適用できる材料を用いて、単層構造または積層構造として形成す
る。また、ゲート絶縁膜111の厚さは、1nm以上300nm以下、より好ましくは5
nm以上50nm以下とするとよい。
Next, the gate insulating film 111 is formed over the oxide semiconductor film 132. Gate insulating film 111
A single layer structure or a stacked structure is formed using a material that can be applied to the base insulating film 102. In addition, the thickness of the gate insulating film 111 is 1 nm or more and 300 nm or less, more preferably 5
The thickness is preferably in the range of nm to 50 nm.

また、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート(HfSi(x
>0、y>0))、窒素が添加されたハフニウムシリケート(HfSi(x>
0、y>0、z>0))、ハフニウムアルミネート(HfAl(x>0、y>0)
)、などのhigh−k材料を用いることができる。high−k材料は、誘電率が高い
ため、例えば、酸化シリコン膜をゲート絶縁膜に用いた場合と同じゲート絶縁膜容量を有
したまま、物理的なゲート絶縁膜の厚さを厚くすることができる。それゆえ、ゲートリー
ク電流を低減できる。なお、ゲート絶縁膜111として、該high−k材料を単層構造
として用いてもよいし、下地絶縁膜102に適用できる材料との積層構造としてもよい。
In addition, hafnium oxide, yttrium oxide, hafnium silicate (HfSi x O y (x
> 0, y> 0)), nitrogen-doped hafnium silicate (HfSi x O y N z (x>
0, y> 0, z> 0)), hafnium aluminate (HfAl x O y (x> 0, y> 0)
, Etc. can be used. Since the high-k material has a high dielectric constant, for example, the physical thickness of the gate insulating film can be increased while having the same gate insulating film capacitance as when using a silicon oxide film as the gate insulating film. it can. Therefore, the gate leak current can be reduced. Note that the high-k material may be used as the gate insulating film 111 as a single-layer structure, or may be stacked with a material applicable to the base insulating film 102.

なお、酸化物半導体膜132と接する部分においては、酸素を含むことが好ましいことか
ら、ゲート絶縁膜111は、酸化物絶縁膜または加熱により酸素放出する膜を用いること
が好ましい。
Note that since oxygen is preferably contained in a portion in contact with the oxide semiconductor film 132, the gate insulating film 111 is preferably an oxide insulating film or a film which releases oxygen by heating.

ゲート絶縁膜111を形成した後、第2の加熱処理を行い、島状の酸化物半導体膜140
を形成する(図2(D)参照。)。第2の加熱処理は、酸化物半導体膜132から水素(
水、水酸基または水素化物を含む)を放出させると共に、下地絶縁膜102およびゲート
絶縁膜111に含まれる酸素の一部を放出し、酸化物半導体膜132中、下地絶縁膜10
2と酸化物半導体膜132との界面近傍、および酸化物半導体膜132とゲート絶縁膜1
11との界面近傍に酸素を拡散させることができる。つまり、第2の加熱処理は、酸化物
半導体膜132の酸素欠損、下地絶縁膜102と酸化物半導体膜132との界面準位、お
よび酸化物半導体膜132とゲート絶縁膜111との界面準位を低減させることができる
After the gate insulating film 111 is formed, second heat treatment is performed to form an island-shaped oxide semiconductor film 140.
(See FIG. 2D). The second heat treatment is performed using hydrogen from the oxide semiconductor film 132 (
Water, a hydroxyl group, or a hydride) and a part of oxygen contained in the base insulating film 102 and the gate insulating film 111, and the base insulating film 10 in the oxide semiconductor film 132.
In the vicinity of the interface between the oxide semiconductor film 132 and the oxide semiconductor film 132 and the oxide semiconductor film 132 and the gate insulating film 1
Oxygen can be diffused in the vicinity of the interface with the element 11. That is, in the second heat treatment, oxygen vacancies in the oxide semiconductor film 132, an interface state between the base insulating film 102 and the oxide semiconductor film 132, and an interface state between the oxide semiconductor film 132 and the gate insulating film 111 Can be reduced.

第2の加熱処理の条件および装置は、第1の加熱処理に適用できる条件および装置を適宜
用いればよい。
The conditions and apparatus for the second heat treatment may be conditions and apparatuses applicable to the first heat treatment as appropriate.

なお、第1の加熱処理を兼ねて第2の加熱処理を行ってもよいが、第1の加熱処理および
第2の加熱処理の両方行うことで、効率よく上記界面準位、および上記酸素欠損を低減す
ることができる。
Note that the second heat treatment may be performed concurrently with the first heat treatment, but by performing both the first heat treatment and the second heat treatment, the interface state and the oxygen deficiency are efficiently performed. Can be reduced.

次に、ゲート絶縁膜111上に、第1の電極113に適用できる導電材料を用いて導電膜
112を形成する(図3(A)参照)。導電膜112の厚さとしては、下記導電材料の電
気抵抗や、作製工程にかかる時間を考慮し、適宜決めることができる。例えば、10nm
以上500nm以下で形成すればよい。
Next, a conductive film 112 is formed over the gate insulating film 111 using a conductive material applicable to the first electrode 113 (see FIG. 3A). The thickness of the conductive film 112 can be determined as appropriate in consideration of the electrical resistance of the following conductive material and the time taken for the manufacturing process. For example, 10 nm
It may be formed to be 500 nm or less.

第1の電極113に適用できる導電材料は、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、
銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステンから
なる単体金属、またはこれを主成分とする合金とする。また、導電膜112は、該導電材
料を用いて、単層構造または積層構造として形成する。例えば、シリコンを含むアルミニ
ウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、タングステン膜上
にチタン膜を積層する二層構造、銅−マグネシウム−アルミニウム合金膜上に銅膜を積層
する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上に重ねてアルミニウム膜を積層し、さらにそ
の上にチタン膜を形成する三層構造などがある。なお、酸化インジウム、酸化錫または酸
化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。
Conductive materials applicable to the first electrode 113 include aluminum, titanium, chromium, nickel,
A single metal consisting of copper, yttrium, zirconium, molybdenum, silver, tantalum, or tungsten, or an alloy containing this as a main component. The conductive film 112 is formed as a single layer structure or a stacked structure using the conductive material. For example, a single-layer structure of an aluminum film containing silicon, a two-layer structure in which a titanium film is stacked on an aluminum film, a two-layer structure in which a titanium film is stacked on a tungsten film, a copper film on a copper-magnesium-aluminum alloy film There is a two-layer structure to be stacked, a titanium film, and a three-layer structure in which an aluminum film is stacked on the titanium film and a titanium film is formed thereon. Note that a transparent conductive material containing indium oxide, tin oxide or zinc oxide may be used.

次に、フォトリソグラフィ工程によりレジストマスクを導電膜112上に形成し、該レジ
ストマスクを用いて、導電膜112を所望の形状にエッチングし、第1の電極113を形
成する(図3(B)参照)。第1の電極113は、少なくともゲート電極として機能し、
ゲート配線としても機能する構成としてもよい。なお、該レジストマスクは、フォトリソ
グラフィ工程の他にインクジェット法、印刷法等を適宜用いることができ、該エッチング
は酸化物半導体膜130を加工する際と同様のドライエッチングまたはウェットエッチン
グを適宜用いることができる。
Next, a resist mask is formed over the conductive film 112 by a photolithography step, and the conductive film 112 is etched into a desired shape using the resist mask to form a first electrode 113 (FIG. 3B). reference). The first electrode 113 functions at least as a gate electrode,
The gate wiring may also function. Note that as the resist mask, an inkjet method, a printing method, or the like can be used as appropriate in addition to the photolithography step, and the same dry etching or wet etching as in processing the oxide semiconductor film 130 can be used as appropriate for the etching. Can.

また、ゲート絶縁膜111および第1の電極113となる導電膜は、大気に暴露すること
なく、連続で形成することが好ましい。
The conductive film to be the gate insulating film 111 and the first electrode 113 is preferably formed in succession without exposure to the air.

また、第1の電極113とゲート絶縁膜111との間に、窒素を含むIn−Ga−Zn−
O膜や、窒素を含むIn−Sn−O膜や、窒素を含むIn−Ga−O膜や、窒素を含むI
n−Zn−O膜や、窒素を含むSn−O膜や、窒素を含むIn−O膜や、金属窒化膜(I
nN、ZnNなど)を設けることが好ましい。これらの膜は5eV以上、好ましくは5.
5eV以上の仕事関数を有し、トランジスタ100の電気特性において、しきい値電圧を
プラスにすることができ、トランジスタ100を所謂ノーマリーオフのトランジスタとす
ることができる。例えば、窒素を含むIn−Ga−Zn−O膜を用いる場合、少なくとも
酸化物半導体膜140より高い窒素濃度、具体的には7原子%以上のIn−Ga−Zn−
O膜を用いる。
In addition, In—Ga—Zn— containing nitrogen is provided between the first electrode 113 and the gate insulating film 111.
O film, In-Sn-O film containing nitrogen, In-Ga-O film containing nitrogen, I containing nitrogen
n-Zn-O film, Sn-O film containing nitrogen, In-O film containing nitrogen, metal nitride film (I
It is preferable to provide nN, ZnN, etc.). These films are 5 eV or more, preferably 5.
The transistor 100 can have a work function of 5 eV or more, can have a positive threshold voltage in the electrical characteristics of the transistor 100, and can be a so-called normally-off transistor. For example, in the case of using an In—Ga—Zn—O film containing nitrogen, a nitrogen concentration higher than at least the oxide semiconductor film 140, specifically, an In—Ga—Zn— film having a concentration of 7 atomic% or more
Use an O membrane.

次に、酸化物半導体膜140にドーパント150を添加する処理を行う(図3(C)参照
)。
Next, treatment is performed to add the dopant 150 to the oxide semiconductor film 140 (see FIG. 3C).

添加するドーパント150は、15族元素またはホウ素とし、具体的にはリン、砒素、お
よびアンチモンならびにホウ素のいずれかから選択される一以上とする。また、酸化物半
導体膜140にドーパント150を添加する方法として、イオンドーピング法またはイオ
ンインプランテーション法を用いることができる。
The dopant 150 to be added is a Group 15 element or boron, specifically one or more selected from any of phosphorus, arsenic, and antimony and boron. Further, as a method for adding the dopant 150 to the oxide semiconductor film 140, an ion doping method or an ion implantation method can be used.

イオンドーピング法またはイオンインプランテーション法を用いることで、ドーパント1
50の添加深さ(添加領域)が制御し易くなり、酸化物半導体膜140にドーパント15
0を精度良く添加することができる。また、イオンドーピング法またはイオンインプラン
テーション法によりドーパント150を添加する際に、基板101を加熱しながら行って
もよい。
Dopant 1 by using ion doping or ion implantation
The addition depth (addition area) of 50 can be easily controlled, and the dopant semiconductor
It is possible to add 0 precisely. In addition, when adding the dopant 150 by an ion doping method or an ion implantation method, the heating may be performed while heating the substrate 101.

なお、酸化物半導体膜140にドーパント150を添加する処理は、複数回行っても良い
。酸化物半導体膜140にドーパント150を添加する処理を複数回行う場合、ドーパン
ト150は複数回すべてにおいて同じ元素であってもよいし、1回の処理毎に変えてもよ
い。
Note that the process of adding the dopant 150 to the oxide semiconductor film 140 may be performed plural times. In the case where the oxide semiconductor film 140 is subjected to the process of adding the dopant 150 a plurality of times, the dopant 150 may be the same element in all the plurality of times, or may be changed for each process.

酸化物半導体膜140にドーパント150を添加する際、第1の電極113はマスクとし
て機能し、ドーパント150は第1の電極113と重なる領域の酸化物半導体膜140に
は添加されず、チャネル形成領域となる第1の領域105が形成される。
When the dopant 150 is added to the oxide semiconductor film 140, the first electrode 113 functions as a mask, and the dopant 150 is not added to the oxide semiconductor film 140 in a region overlapping with the first electrode 113; The first region 105 is formed.

さらに、ドーパント150が添加された領域は、ドーパント150の添加のダメージによ
り結晶性が低減し、非晶質領域となる。ドーパント150を添加する量などを調節するこ
とによって、ダメージ量を低減させ、完全な非晶質領域とならないように形成することも
できる。つまり、ドーパント150が添加された領域は、少なくとも第1の領域105よ
りも非晶質領域の割合が大きい領域となる。完全な非晶質領域とさせないほうが、次に行
う第3の加熱処理による結晶化が容易に行われるため、好ましい。
Further, in the region to which the dopant 150 is added, the crystallinity is reduced by the damage of the addition of the dopant 150, and the region becomes an amorphous region. By adjusting the amount of addition of the dopant 150 or the like, the amount of damage can be reduced and the semiconductor layer can be formed so as not to be a complete amorphous region. That is, the region to which the dopant 150 is added is a region in which the proportion of amorphous regions is higher than at least the first region 105. It is preferable not to form a completely amorphous region because crystallization by the third heat treatment to be performed next is easily performed.

次に、ドーパント150を添加した後に、第3の加熱処理を行う。第3の加熱処理を行う
ことで、ドーパント150が添加された領域を、ドーパントを含んで、かつ複数の結晶部
を有する酸化物半導体領域である一対の第2の領域123a、123bにすることができ
る(図3(D)参照)。
Next, after the dopant 150 is added, third heat treatment is performed. By performing the third heat treatment, the region to which the dopant 150 is added can be a pair of second regions 123 a and 123 b which are oxide semiconductor regions each including a dopant and having a plurality of crystal parts. Yes (see FIG. 3 (D)).

一対の第2の領域123a、123bは、ソース領域およびドレイン領域として機能する
。また、一対の第2の領域123a、123bである複数の結晶部を有する酸化物半導体
領域は、第1の領域105であるCAAC−OSとは異なる。なお、第3の加熱処理によ
って、第1の領域105であるCAAC−OSの結晶性が向上することもある。
The pair of second regions 123a and 123b function as a source region and a drain region. Further, an oxide semiconductor region having a plurality of crystal parts which is a pair of second regions 123 a and 123 b is different from the CAAC-OS which is the first region 105. Note that the crystallinity of the CAAC-OS that is the first region 105 may be improved by the third heat treatment.

第3の加熱処理の温度は、450℃以上基板歪み点温度未満、好ましくは650℃以上基
板歪み点温度未満とし、減圧雰囲気下、酸化性雰囲気下または不活性雰囲気下で行う。こ
こで、酸化性雰囲気は、酸素、オゾンまたは窒化酸素などの酸化性ガスを10ppm以上
含有する雰囲気をいう。また、不活性雰囲気は、前述の酸化性ガスが10ppm未満であ
り、その他、窒素または希ガスで充填された雰囲気をいう。処理時間は1時間〜24時間
とする。24時間を超える加熱処理は生産性の低下を招くため好ましくない。
The temperature of the third heat treatment is higher than or equal to 450 ° C. and lower than the substrate strain point temperature, preferably higher than or equal to 650 ° C. and lower than the substrate strain point temperature. Here, the oxidizing atmosphere refers to an atmosphere containing 10 ppm or more of an oxidizing gas such as oxygen, ozone, or nitrogen oxide. In addition, the inert atmosphere is an atmosphere containing less than 10 ppm of the aforementioned oxidizing gas, and additionally filled with nitrogen or a rare gas. The treatment time is 1 hour to 24 hours. Heat treatment for more than 24 hours is not preferable because it causes a decrease in productivity.

第3の加熱処理に用いる加熱装置は、第1の加熱処理および第2の加熱処理に適用できる
装置を用いることができる。
As a heating device used for the third heat treatment, an apparatus applicable to the first heat treatment and the second heat treatment can be used.

このように、第1の電極113をマスクとして、ドーパント150を酸化物半導体膜14
0に添加し、その後、第3の加熱処理を行うことで、チャネル形成領域となる第1の領域
105と、ソース領域およびドレイン領域となる一対の第2の領域123a、123bと
を、セルフアラインに形成することできる。
Thus, the dopant 150 is used as the oxide semiconductor film 14 with the first electrode 113 as a mask.
The first region 105 serving as a channel formation region and the pair of second regions 123a and 123b serving as a source region and a drain region are self-aligned by addition to 0 and subsequent third heat treatment. It can be formed into

次に、ゲート絶縁膜111、および第1の電極113上に層間絶縁膜117となる絶縁膜
を形成し、フォトリソグラフィ工程によって、層間絶縁膜117となる絶縁膜上にレジス
トマスクを形成し、該レジストマスクを用いてエッチングし、開口部116a、116b
を形成する(図4(A)参照)。なお、該レジストマスクは、フォトリソグラフィ工程の
他にインクジェット法、印刷法等を適宜用いることができ、該エッチングは酸化物半導体
膜130を加工する際と同様のドライエッチングまたはウェットエッチングを適宜用いる
ことができる。
Next, an insulating film to be the interlayer insulating film 117 is formed over the gate insulating film 111 and the first electrode 113, and a resist mask is formed over the insulating film to be the interlayer insulating film 117 by photolithography. Etching is performed using a resist mask to form openings 116a and 116b.
(See FIG. 4A). Note that as the resist mask, an inkjet method, a printing method, or the like can be used as appropriate in addition to the photolithography step, and the same dry etching or wet etching as in processing the oxide semiconductor film 130 can be used as appropriate for the etching. Can.

層間絶縁膜117には、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜また
は窒化シリコン膜を用い、スパッタリング法、CVD法などで形成すればよい。このとき
、層間絶縁膜117には、加熱により酸素を放出しにくい膜を用いることが好ましい。こ
れは、一対の第2の領域123a、123bの導電率を低下させないためである。具体的
には、CVD法により、シランガスを主材料とし、酸化窒素ガス、窒素ガス、水素ガスお
よび希ガスから適切な原料ガスを混合して成膜すればよい。また、基板温度を300℃以
上550℃以下とすればよい。CVD法を用いることで、加熱により酸素を放出しにくい
膜とすることができる。
The interlayer insulating film 117 may be formed using a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, a silicon nitride oxide film, or a silicon nitride film by a sputtering method, a CVD method, or the like. At this time, as the interlayer insulating film 117, a film which hardly releases oxygen by heating is preferably used. This is to prevent the conductivity of the pair of second regions 123a and 123b from being reduced. Specifically, a film may be formed by mixing silane gas as a main material and a suitable source gas from nitrogen oxide gas, nitrogen gas, hydrogen gas and a rare gas by a CVD method. Further, the substrate temperature may be 300 ° C. or more and 550 ° C. or less. By using the CVD method, the film can be hardly released of oxygen by heating.

次に、開口部116a、116bを介して、一対の第2の領域123a、123bと接す
るように導電膜を形成し、フォトリソグラフィ工程によって該導電膜上にレジストマスク
を形成し、該レジストマスクを用いて該導電膜をエッチングし、第2の電極119aおよ
び第3の電極119bを形成する(図4(B)参照)。なお、第2の電極119aおよび
第3の電極119bは、第1の電極113と同様にして形成することができる。
Next, a conductive film is formed to be in contact with the pair of second regions 123a and 123b through the openings 116a and 116b, a resist mask is formed over the conductive film by a photolithography step, and the resist mask is formed. The conductive film is etched to form the second electrode 119a and the third electrode 119b (see FIG. 4B). Note that the second electrode 119 a and the third electrode 119 b can be formed in the same manner as the first electrode 113.

第2の電極119aおよび第3の電極119bは、それぞれ、少なくともソース電極およ
びドレイン電極として機能し、さらにはソース配線およびドレイン配線としても機能する
The second electrode 119a and the third electrode 119b function at least as a source electrode and a drain electrode, respectively, and also function as a source wiring and a drain wiring.

以上より、トランジスタ100を作製することができる。 Thus, the transistor 100 can be manufactured.

〈トランジスタ100の変形例1〉
また、第3の加熱処理を、550℃以上基板歪み点温度未満、かつ酸化性雰囲気で行うこ
とで、一対の第2の領域123a、123b内に、ドーパント150を含んで、かつ複数
の結晶部を有する酸化物半導体領域109a、109b上に、ドーパント150を含んで
、かつc軸配向した結晶部を有する非単結晶の酸化物半導体領域107a、107bを形
成することができる。
<Variation 1 of Transistor 100>
In addition, by performing the third heat treatment at a temperature higher than or equal to 550 ° C. and lower than the strain point temperature of the substrate and in an oxidizing atmosphere, the dopant 150 is included in the pair of second regions 123 a and 123 b and a plurality of crystal parts The non-single-crystal oxide semiconductor regions 107a and 107b can be formed over the oxide semiconductor regions 109a and 109b, respectively, which include the dopant 150 and a c-axis aligned crystal part.

この場合において完成したトランジスタ160の上面図を図5(A)に示す。さらに、図
5(A)のA−B間における断面図を図5(B)に示す。
A top view of the transistor 160 completed in this case is illustrated in FIG. Furthermore, a cross-sectional view taken along line A-B in FIG. 5A is shown in FIG.

トランジスタ160の一対の第2の領域123a、123bは、ドーパント150を含ん
で、かつc軸配向した結晶部を有する非単結晶の酸化物半導体領域107a、107b、
およびドーパント150を含んで、かつ複数の結晶部を有する酸化物半導体領域109a
、109bによって構成される(図5(B)参照)。なお、酸化物半導体領域107a、
107bと酸化物半導体領域109a、109bとのドーパント濃度は同じである。
A pair of second regions 123a and 123b of the transistor 160 includes the dopant 150 and is a non-single-crystal oxide semiconductor region 107a and 107b having a c-axis aligned crystal part.
And the dopant 150, and the oxide semiconductor region 109a having a plurality of crystal parts
, 109b (see FIG. 5B). Note that the oxide semiconductor region 107a,
The dopant concentrations of 107 b and the oxide semiconductor regions 109 a and 109 b are the same.

また、第2の電極119aおよび第3の電極119bは、開口部116a、116bを介
して酸化物半導体領域107a、107bと接している。トランジスタ160のその他の
構成は、トランジスタ100と同様である。
The second electrode 119a and the third electrode 119b are in contact with the oxide semiconductor regions 107a and 107b through the openings 116a and 116b. The other configuration of the transistor 160 is similar to that of the transistor 100.

また、上記した条件で第3の加熱処理を1時間行うと、上記酸化物半導体領域107a、
107bは、一対の第2の領域123a、123bの上面から一対の第2の領域123a
、123bの下面方向に、少なくとも2nm形成される。また、上記条件で行う第3の加
熱処理の時間を長くすることによって、上記酸化物半導体領域107a、107bを厚く
形成することができる。
In addition, when the third heat treatment is performed for one hour under the above conditions, the oxide semiconductor region 107a,
107 b is a pair of second regions 123 a and 123 b from the top surface of the pair of second regions 123 a
, 123b in the direction of the lower surface, at least 2 nm. Further, the oxide semiconductor regions 107a and 107b can be formed thicker by lengthening the time of the third heat treatment performed under the above conditions.

そして、トランジスタ100とトランジスタ160とでは、一対の第2の領域123a、
123bの構成が異なるだけであり、トランジスタ100に係る説明はトランジスタ16
0においても適用される。
In the transistor 100 and the transistor 160, the pair of second regions 123a,
The configuration of the transistor 100 is different from that of the transistor
The same applies to 0.

トランジスタ160においても、第1の領域105に形成されるチャネルにおけるバンド
端の曲がりを小さくする効果を示し、トランジスタ160はしきい値電圧がマイナス方向
に変動するなど、チャネル長を短くすることで生じる影響を低減できる。さらに、一対の
第2の領域123a、123bは、第2の電極119aおよび第3の電極119bとの接
触抵抗、および一対の第2の領域123a、123bのチャネル方向における抵抗成分が
低減しているため、トランジスタ160のオン電流を増加させることができる。
The transistor 160 also has an effect of reducing bending of the band edge in the channel formed in the first region 105, and the transistor 160 is generated by shortening the channel length, such as the threshold voltage fluctuating in the negative direction. The impact can be reduced. Further, in the pair of second regions 123a and 123b, the contact resistance with the second electrode 119a and the third electrode 119b and the resistance component in the channel direction of the pair of second regions 123a and 123b are reduced. Thus, the on-state current of the transistor 160 can be increased.

また、トランジスタ160は、一対の第2の領域123a、123bが酸化物半導体領域
107a、107bおよび酸化物半導体領域109a、109bであることから、仮に一
対の第2の領域123a、123bが非晶質な領域である場合に比べ、光照射の前後およ
びBT(ゲート・熱バイアス)ストレス試験前後におけるしきい値電圧の変動が小さいと
考えられ、信頼性の高いトランジスタである。
In the transistor 160, since the pair of second regions 123a and 123b is the oxide semiconductor regions 107a and 107b and the oxide semiconductor regions 109a and 109b, the pair of second regions 123a and 123b is temporarily amorphous. It is considered that the fluctuation of the threshold voltage before and after light irradiation and before and after the BT (gate and thermal bias) stress test is smaller than in the case of the above region, and the transistor is highly reliable.

〈トランジスタ100の変形例2〉
トランジスタ100の作製方法の第1の電極113を形成する際に、ゲート絶縁膜111
も同時にエッチングすることで、酸化物半導体膜103の第1の領域105上のみにゲー
ト絶縁膜121を設けることができる。
<Modification 2 of Transistor 100>
When the first electrode 113 in the method for manufacturing the transistor 100 is formed, the gate insulating film 111 is formed.
At the same time, the gate insulating film 121 can be provided only on the first region 105 of the oxide semiconductor film 103 by etching.

この場合において完成したトランジスタ170の上面図を図6(A)に示す。さらに、図
6(A)のA−B間における断面図を図6(B)に示す。トランジスタ170の上面構造
はトランジスタ100と同様であり、トップゲート構造かつトップコンタクト構造のトラ
ンジスタである。
A top view of the transistor 170 completed in this case is illustrated in FIG. Further, a cross-sectional view taken along a line AB in FIG. 6A is shown in FIG. The top surface structure of the transistor 170 is similar to that of the transistor 100 and is a top gate and top contact transistor.

そして、トランジスタ100とトランジスタ170とでは、ゲート絶縁膜111の形状が
異なるだけであり、トランジスタ100に係る説明はトランジスタ170においても適用
される。
Further, only the shape of the gate insulating film 111 is different between the transistor 100 and the transistor 170, and the description of the transistor 100 is also applied to the transistor 170.

トランジスタ170においても、第1の領域105に形成されるチャネルにおけるバンド
端の曲がりを小さくする効果を示し、トランジスタ170はしきい値電圧がマイナス方向
に変動するなど、チャネル長を短くすることで生じる影響を低減できる。さらに、一対の
第2の領域123a、123bは、第2の電極119aおよび第3の電極119bとの接
触抵抗、および一対の第2の領域123a、123bのチャネル方向における抵抗成分が
低減しているため、トランジスタ170のオン電流を増加させることができる。
The transistor 170 also has an effect of reducing the bending of the band edge in the channel formed in the first region 105, and the transistor 170 is generated by shortening the channel length, such as the threshold voltage fluctuating in the negative direction. The impact can be reduced. Further, in the pair of second regions 123a and 123b, the contact resistance with the second electrode 119a and the third electrode 119b and the resistance component in the channel direction of the pair of second regions 123a and 123b are reduced. Thus, the on-state current of the transistor 170 can be increased.

また、トランジスタ170は、一対の第2の領域123a、123bが複数の結晶部を有
する酸化物半導体領域であることから、仮に一対の第2の領域123a、123bが非晶
質な領域である場合に比べ、光照射の前後およびBT(ゲート・熱バイアス)ストレス試
験前後におけるしきい値電圧の変動が小さいと考えられ、信頼性の高いトランジスタであ
る。
In the case where the pair of second regions 123a and 123b is an amorphous region, the transistor 170 is an oxide semiconductor region in which the pair of second regions 123a and 123b is a plurality of crystal parts. In this transistor, the fluctuation of the threshold voltage before and after light irradiation and before and after the BT (gate and thermal bias) stress test is considered to be small, and the transistor is highly reliable.

トランジスタ170の作製方法について、図3、図7および図8を用いて説明する。トラ
ンジスタ170は、導電膜112を形成する工程(図3(A)参照)までは、トランジス
タ100と同様である。
A method for manufacturing the transistor 170 is described with reference to FIGS. 3, 7, and 8. The transistor 170 is similar to the transistor 100 up to the step of forming the conductive film 112 (see FIG. 3A).

導電膜112を形成したあと、導電膜112およびゲート絶縁膜111にエッチング処理
を行うことで、第1の電極113および後に形成される酸化物半導体膜103の第1の領
域105上のみに重畳するゲート絶縁膜121を形成することができる(図7(A)参照
)。
After the conductive film 112 is formed, etching is performed on the conductive film 112 and the gate insulating film 111 so that the conductive film 112 is overlapped only over the first region 105 of the first electrode 113 and the oxide semiconductor film 103 to be formed later. The gate insulating film 121 can be formed (see FIG. 7A).

また、ゲート絶縁膜121は第1の領域105のみに接しているため、酸化物半導体膜1
40の形状(段差)に沿って設けられていない。言い換えると、ゲート絶縁膜121には
酸化物半導体膜140の段差を乗り越えている部分がない。したがって、完成したトラン
ジスタ170においても、ゲート絶縁膜121は酸化物半導体膜103の段差を乗り越え
ている部分がないため、ゲート絶縁膜121の断切れなどを起因とするリーク電流を低減
し、かつゲート絶縁膜121の耐圧を高めることができる。よって、ゲート絶縁膜121
を5nm近くまで薄膜化して用いてもトランジスタ170を動作させることができる。な
お、ゲート絶縁膜121を薄膜化することで、チャネル長を短くすることで生じる影響を
低減でき、かつトランジスタの動作速度を高めることができる。
In addition, since the gate insulating film 121 is in contact with only the first region 105, the oxide semiconductor film 1 can be formed.
It is not provided along the 40 shapes (steps). In other words, the gate insulating film 121 has no portion which passes over the step of the oxide semiconductor film 140. Therefore, also in the completed transistor 170, the gate insulating film 121 does not have a portion which passes over the steps of the oxide semiconductor film 103; therefore, leakage current due to disconnection or the like of the gate insulating film 121 is reduced. The withstand voltage of the insulating film 121 can be increased. Therefore, the gate insulating film 121
Alternatively, the transistor 170 can be operated even when it is thinned to about 5 nm. Note that by thinning the gate insulating film 121, an influence caused by shortening the channel length can be reduced and the operation speed of the transistor can be increased.

さらに、トランジスタ170はゲート絶縁膜121が段差を乗り越えている部分がないた
め、第1の電極113と一対の第2の領域123a、123bとの間に生じる寄生容量が
ほとんどない。それゆえ、トランジスタ170はチャネル長を縮小した場合においても、
しきい値電圧の変動を低減することができる。
Further, in the transistor 170, since there is no portion where the gate insulating film 121 passes over the step, there is almost no parasitic capacitance generated between the first electrode 113 and the pair of second regions 123a and 123b. Therefore, even if the transistor 170 reduces the channel length,
Variations in threshold voltage can be reduced.

以降は、トランジスタ100と同様の工程を行うことで、トランジスタ170を形成する
ことができる。なお、トランジスタ170において、ドーパント150を添加する処理は
、トランジスタ100とは異なり、第1の電極113をマスクとし、酸化物半導体膜14
0の一部が露出した状態で添加されることになる(図7(B)参照)。
After that, the transistor 170 can be formed by performing a process similar to that of the transistor 100. Note that the process in which the dopant 150 is added in the transistor 170 is different from that in the transistor 100, and the oxide semiconductor film 14 is formed using the first electrode 113 as a mask
It will be added in a state where a part of 0 is exposed (see FIG. 7 (B)).

トランジスタ170のように、酸化物半導体膜140の一部が露出した状態でドーパント
150を添加する場合は、ドーパント150の添加方法として、イオンドーピング法また
はイオンインプランテーション法以外の方法を用いることもできる。例えば、添加する元
素を含むガス雰囲気にてプラズマを発生させて、被添加物(ここでは、酸化物半導体膜1
40)に対して該プラズマを照射させるプラズマ処理である。該プラズマを発生させる装
置としては、ドライエッチング装置やプラズマCVD装置、高密度プラズマCVD装置な
どを用いることができる。また、該プラズマ処理は、基板101を加熱しながら行っても
よい。
When the dopant 150 is added in a state where part of the oxide semiconductor film 140 is exposed as in the transistor 170, a method other than the ion doping method or the ion implantation method can be used as a method of adding the dopant 150 . For example, plasma is generated in a gas atmosphere containing an element to be added, and an additive (here, the oxide semiconductor film 1
40) plasma treatment for irradiating the plasma. As an apparatus for generating the plasma, a dry etching apparatus, a plasma CVD apparatus, a high density plasma CVD apparatus, or the like can be used. Further, the plasma treatment may be performed while heating the substrate 101.

また、トランジスタ170においても、ドーパント150を添加したあとに行う第3の加
熱処理を、550℃以上基板歪み点温度未満、かつ酸化性雰囲気で行うことで、ドーパン
ト150含んで、かつ複数の結晶部を有する酸化物半導体領域109a、109b上にド
ーパント150を含んで、かつc軸配向した結晶部を有する非単結晶の酸化物半導体領域
107a、107bが設けられた一対の第2の領域123a、123bを形成することが
できる(図8参照)。なお、図8における各符号は、トランジスタ100(図1参照)、
トランジスタ160(図5参照)およびトランジスタ170(図6参照)の各符号に対応
する。
In the transistor 170, the third heat treatment performed after the addition of the dopant 150 is performed at a temperature higher than or equal to 550 ° C. and lower than the strain point temperature of the substrate and in an oxidizing atmosphere; A pair of second regions 123a and 123b in which non-single-crystal oxide semiconductor regions 107a and 107b including a dopant portion 150 and a c-axis-oriented crystal portion are provided over the oxide semiconductor regions 109a and 109b. Can be formed (see FIG. 8). Note that each reference numeral in FIG. 8 indicates the transistor 100 (see FIG. 1),
This corresponds to the reference numerals of the transistor 160 (see FIG. 5) and the transistor 170 (see FIG. 6).

このように、開示する発明の一態様では、微細化に伴う問題点を解消することができるた
め、結果として、トランジスタサイズを十分に小さくすることが可能になる。トランジス
タサイズを十分に小さくすることで、半導体装置の占める面積が小さくなるため、半導体
装置の取り数が増大する。これにより、半導体装置あたりの製造コストは抑制される。ま
た、同等の機能を保ったまま半導体装置が小型化されるため、大きさを同程度とする場合
には、さらに機能が高められた半導体装置を実現することができる。また、チャネル長の
縮小による、動作の高速化、低消費電力化などの効果を得ることもできる。つまり、開示
する発明の一態様により、酸化物半導体を用いたトランジスタの微細化が達成されること
で、これに付随する様々な効果を得ることが可能である。なお、本実施の形態は、他の実
施の形態および実施例と適宜組み合わせることができる。
As described above, one embodiment of the disclosed invention can solve the problems associated with miniaturization, and as a result, the transistor size can be sufficiently reduced. By sufficiently reducing the size of the transistor, the area occupied by the semiconductor device can be reduced, and the number of semiconductor devices can be increased. Thereby, the manufacturing cost per semiconductor device is suppressed. In addition, since the semiconductor device is miniaturized while maintaining the same function, when the size is made to be the same, it is possible to realize a semiconductor device with a further enhanced function. In addition, effects such as speeding up of operation and reduction of power consumption can be obtained by reducing the channel length. That is, according to one embodiment of the disclosed invention, miniaturization of a transistor including an oxide semiconductor can be achieved, and thus various effects can be obtained. Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments and examples as appropriate.

(実施の形態2)
本実施の形態では、本発明の他の一態様であるトランジスタ200の構造および作製方法
について、図9乃至図14を用いて説明する。トランジスタ200は、実施の形態1で説
明したトランジスタ100と比較して、第1の電極113の端面にサイドウォール絶縁膜
215が設けられており、酸化物半導体膜103の第1の領域105および一対の第2の
領域123a、123bの間に、一対の第3の領域223a、223bが設けられている
ことが異なる。
Second Embodiment
In this embodiment, a structure and a manufacturing method of the transistor 200 which is another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the transistor 200, compared with the transistor 100 described in Embodiment 1, the sidewall insulating film 215 is provided on the end face of the first electrode 113, and the first region 105 and the pair of the oxide semiconductor film 103 are formed. A difference is that a pair of third regions 223a and 223b is provided between the second regions 123a and 123b.

また、トランジスタ200は、本発明の他の一態様であることから、実施の形態1で説明
した内容は、本実施の形態においても適用される。
Further, since the transistor 200 is another embodiment of the present invention, the contents described in Embodiment 1 are also applied to this embodiment.

〈トランジスタ200の構造および特徴〉
図9(A)は、トランジスタ200の上面図である。なお、図9(A)において、下地絶
縁膜102、ゲート絶縁膜111および層間絶縁膜117は、便宜上、図示していない。
<Structure and Features of Transistor 200>
FIG. 9A is a top view of the transistor 200. FIG. Note that in FIG. 9A, the base insulating film 102, the gate insulating film 111, and the interlayer insulating film 117 are not shown for convenience.

図9(A)より、第1の電極113は、第1の領域105(図示せず)、一対の第2の領
域123a、123b、及び一対の第3の領域223a、223b(図示せず)とを含む
酸化物半導体膜103上に設けられている。第1の電極113の側面にサイドウォール絶
縁膜215が設けられている。そして、第2の電極119aおよび第3の電極119bは
、開口部116a、116bを介して一対の第2の領域123a、123b上に設けられ
ている。また、第2の電極119aおよび第3の電極119bは、一対の第2の領域12
3a、123bの上面と接している。トランジスタ200はトップゲート構造かつトップ
コンタクト構造のトランジスタである。
From FIG. 9A, the first electrode 113 includes a first region 105 (not shown), a pair of second regions 123a and 123b, and a pair of third regions 223a and 223b (not shown). And the oxide semiconductor film 103 including the A sidewall insulating film 215 is provided on the side surface of the first electrode 113. The second electrode 119a and the third electrode 119b are provided over the pair of second regions 123a and 123b via the openings 116a and 116b. In addition, the second electrode 119 a and the third electrode 119 b are a pair of second regions 12.
It is in contact with the upper surfaces of 3a and 123b. The transistor 200 is a top gate structure and a top contact structure transistor.

図9(B)は、トランジスタ200におけるA−B間の断面図である。図9(B)より、
基板101上に下地絶縁膜102が設けられており、下地絶縁膜102上には、第1の領
域105、一対の第2の領域123a、123bおよび一対の第3の領域223a、22
3bを含む酸化物半導体膜103が設けられている。一対の第2の領域123a、123
bは第1の領域105を介して対向して設けられている。一対の第3の領域223a、2
23bは、第1の領域105および一対の第2の領域123a、123bの間に設けられ
ている。
FIG. 9B is a cross-sectional view taken along line AB in the transistor 200. FIG. From FIG. 9 (B),
The base insulating film 102 is provided over the substrate 101, and the first region 105, the pair of second regions 123 a and 123 b, and the pair of third regions 223 a and 22 are provided over the base insulating film 102.
An oxide semiconductor film 103 including 3b is provided. A pair of second regions 123a, 123
b is provided opposite to each other via the first area 105. A pair of third regions 223a, 2
The 23 b is provided between the first region 105 and the pair of second regions 123 a and 123 b.

酸化物半導体膜103上にゲート絶縁膜111が設けられている。ゲート絶縁膜111上
には、第1の領域105と重畳した第1の電極113が設けられている。第1の電極11
3の両側面には、サイドウォール絶縁膜215が接して設けられている。
The gate insulating film 111 is provided over the oxide semiconductor film 103. A first electrode 113 overlapping with the first region 105 is provided over the gate insulating film 111. First electrode 11
Sidewall insulating films 215 are provided in contact with both side surfaces of 3.

ゲート絶縁膜111、第1の電極113およびサイドウォール絶縁膜215上には、層間
絶縁膜117が設けられている。
An interlayer insulating film 117 is provided over the gate insulating film 111, the first electrode 113, and the sidewall insulating film 215.

第2の電極119aおよび第3の電極119bは、層間絶縁膜117に設けられた開口部
116a、116bを介して一対の第2の領域123a、123bと接して設けられてい
る。なお、ゲート絶縁膜111は、第1の領域105、一対の第2の領域123a、12
3bおよび一対の第3の領域223a、223bに接している。
The second electrode 119 a and the third electrode 119 b are provided in contact with the pair of second regions 123 a and 123 b through the openings 116 a and 116 b provided in the interlayer insulating film 117. Note that the gate insulating film 111 includes the first region 105 and the pair of second regions 123 a and 12.
It is in contact with 3 b and the pair of third regions 223 a, 223 b.

第2の電極119aおよび第3の電極119bの端部は、テーパ形状であってもよいが、
第1の電極113の端部は垂直な形状であることが好ましい。第1の電極113の端部を
垂直な形状とし、第1の電極113上にサイドウォール絶縁膜215となる絶縁膜を形成
し、異方性の高いエッチングを行うことで、サイドウォール絶縁膜215を形成すること
ができるからである。
The ends of the second electrode 119a and the third electrode 119b may be tapered, but
The end of the first electrode 113 preferably has a vertical shape. The sidewall insulating film 215 is formed by forming an end portion of the first electrode 113 in a vertical shape, forming an insulating film to be the sidewall insulating film 215 over the first electrode 113, and performing etching with high anisotropy. It is because it can form.

また、詳細は後述するが、図9(A)および図9(B)より、一対の第3の領域223a
、223bは、酸化物半導体膜103がサイドウォール絶縁膜215と重畳する領域に相
当する。そして、サイドウォール絶縁膜215は、第1の電極113の側面およびゲート
絶縁膜111と接する領域以外の少なくとも一部は湾曲形状を有している。
Further, although the details will be described later, according to FIGS. 9A and 9B, the pair of third regions 223a is described.
223 b correspond to a region where the oxide semiconductor film 103 overlaps with the sidewall insulating film 215. The sidewall insulating film 215 has a curved shape at least in part except the side surface of the first electrode 113 and the region in contact with the gate insulating film 111.

酸化物半導体膜103は、実施の形態1と同様にIn、Ga、SnおよびZnから選ばれ
た二以上の元素を含む金属酸化物であり、バンドギャップの広い金属酸化物を用いること
で、トランジスタ200のオフ電流を低減することができる。
The oxide semiconductor film 103 is a metal oxide containing two or more elements selected from In, Ga, Sn, and Zn as in Embodiment 1, and a transistor with a wide band gap can be used as a transistor. The off current of 200 can be reduced.

また、トランジスタ200において、第1の領域105はチャネル形成領域として機能し
、さらにCAAC−OSであり、且つ水素濃度が低減されている。それゆえ、トランジス
タ200は、光照射の前後およびBT(ゲート・熱バイアス)ストレス試験前後において
、しきい値電圧の変動が小さいことから安定した電気特性を有し、信頼性の高いトランジ
スタといえる。
In the transistor 200, the first region 105 functions as a channel formation region, is a CAAC-OS, and has a reduced concentration of hydrogen. Therefore, the transistor 200 has stable electric characteristics and can be said to be a highly reliable transistor before and after light irradiation and before and after a BT (gate and thermal bias) stress test because the variation of the threshold voltage is small.

一対の第2の領域123a、123bは実施の形態1と同様であり、仮に一対の第2の領
域123a、123bが、第1の領域105と同様にドーパントを含んでいないCAAC
−OSである場合(酸化物半導体膜103すべてがドーパントを含んでいないCAAC−
OSである場合)に比べて、導電率が高い。また、一対の第3の領域223a、223b
においても、一対の第2の領域123a、123bと同様にドーパントを含んでおり、導
電率が高い。つまり、酸化物半導体膜103のチャネル方向における抵抗成分は低減され
ており、トランジスタ200のオン電流を増加させることができる。
A pair of second regions 123a and 123b is the same as that in Embodiment 1, and a pair of second regions 123a and 123b does not contain a dopant similarly to the first region 105.
—OS (when the oxide semiconductor film 103 does not contain any dopant;
The conductivity is higher than in the case of OS). In addition, the pair of third regions 223a and 223b
Also in the second embodiment, a dopant is contained similarly to the pair of second regions 123a and 123b, and the conductivity is high. That is, the resistance component in the channel direction of the oxide semiconductor film 103 is reduced, and the on-state current of the transistor 200 can be increased.

また、トランジスタ200において、一対の第2の領域123a、123bおよび一対の
第3の領域223a、223bの導電率ならびにドーパント濃度は、実施の形態1と同様
の範囲であり、ドーパント濃度を増加させすぎると導電性を低下させることになり、トラ
ンジスタ200のオン電流が低下する。
In the transistor 200, the conductivity and the dopant concentration of the pair of second regions 123a and 123b and the pair of third regions 223a and 223b are in the same range as in Embodiment 1, and the dopant concentration is excessively increased. As a result, the on-state current of the transistor 200 is reduced.

従って、一対の第2の領域123a、123bおよび一対の第3の領域223a、223
bのドーパント濃度は、5×1018cm−3以上1×1022cm−3以下であること
が好ましい。さらに、一対の第2の領域123a、123bのドーパント濃度は、一対の
第3の領域223a、223bのドーパント濃度より高い。具体的には、一対の第2の領
域123a、123bのドーパント濃度は、5×1020cm−3以上1×1022cm
−3以下とし、一対の第3の領域223a、223bのドーパント濃度は、5×1018
cm−3以上5×1021cm−3未満とするのが好ましい。また、これらドーパント濃
度の差は、トランジスタ200にはサイドウォール絶縁膜215が設けられているため、
ドーパントを添加する工程においてセルフアラインに形成される。
Thus, a pair of second regions 123a, 123b and a pair of third regions 223a, 223
The dopant concentration of b is preferably 5 × 10 18 cm −3 or more and 1 × 10 22 cm −3 or less. Furthermore, the dopant concentration of the pair of second regions 123a and 123b is higher than the dopant concentration of the pair of third regions 223a and 223b. Specifically, the dopant concentration of the pair of second regions 123a and 123b is 5 × 10 20 cm −3 or more and 1 × 10 22 cm 2
And -3, a pair of third regions 223a, the dopant concentration of 223b is, 5 × 10 18
preferably less than cm -3 to 5 × 10 21 cm -3. In addition, the difference between the dopant concentrations can be obtained because the sidewall insulating film 215 is provided in the transistor 200.
It is self-aligned in the step of adding the dopant.

トランジスタ200は、一対の第2の領域123a、123bのうち、第2の領域123
aと第1の領域105の間に一対の第3の領域223a、223bのうち第3の領域22
3aを、第2の領域123bと第1の領域105の間に第3の領域223bをそれぞれ設
けることで、第1の領域105に加わる電界を緩和させることができる。一対の第2の領
域123a、123bは、ソース領域およびドレイン領域として機能する。また、一対の
第3の領域223a、223bは、電界緩和領域として機能する。
The transistor 200 is a second region 123 of the pair of second regions 123a and 123b.
The third region 22 of the pair of third regions 223a and 223b between a and the first region 105
By providing the third region 223 b between the second region 123 b and the first region 105, the electric field applied to the first region 105 can be relaxed. The pair of second regions 123a and 123b function as a source region and a drain region. In addition, the pair of third regions 223a and 223b function as an electric field relaxation region.

詳細には、一対の第2の領域123a、123bのうち、第2の領域123aと第1の領
域105の間に一対の第3の領域223a、223bのうち第3の領域223aを、第2
の領域123bと第1の領域105の間に第3の領域223bをそれぞれ設けることで、
第1の領域105に形成されるチャネルにおけるバンド端の曲がりがほとんど生じない。
したがって、トランジスタ200は、しきい値電圧がマイナス方向に変動するなど、チャ
ネル長を短くすることで生じる影響を低減できる。
Specifically, of the pair of second regions 123a and 123b, the third region 223a of the pair of third regions 223a and 223b is interposed between the second region 123a and the first region 105;
By providing the third region 223b between the first region 123b and the first region 105,
There is almost no band edge bending in the channel formed in the first region 105.
Thus, the transistor 200 can reduce the influence of shortening the channel length, such as the threshold voltage fluctuating in the negative direction.

そして、一対の第2の領域123a、123bは、第2の電極119aおよび第3の電極
119bとの接触抵抗が低減しているため、トランジスタ200のオン電流を増加させる
ことができる。
Further, since the contact resistance between the pair of second regions 123a and 123b with the second electrode 119a and the third electrode 119b is reduced, the on-state current of the transistor 200 can be increased.

〈トランジスタ200の作製方法〉
次に、トランジスタ200の作製方法について、図2、図3および図10を用いて説明す
る。
<Method for Manufacturing Transistor 200>
Next, a method for manufacturing the transistor 200 will be described with reference to FIGS.

トランジスタ200の作製方法について、酸素が拡散されて、かつ水素濃度が十分に低減
された酸化物半導体膜140、およびゲート絶縁膜111を形成する工程(図2(D)に
相当する工程)、ならびに酸化物半導体膜140上に第1の電極113に適用できる導電
材料を用いて導電膜112を形成する工程(図3(A)に相当する工程)までは、トラン
ジスタ100と同じであるため、実施の形態1を参照できる。
In the method for manufacturing the transistor 200, the step of forming the oxide semiconductor film 140 in which oxygen is diffused and the hydrogen concentration is sufficiently reduced, and the gate insulating film 111 (step corresponding to FIG. 2D) The steps up to the step of forming the conductive film 112 using the conductive material applicable to the first electrode 113 over the oxide semiconductor film 140 (the step corresponding to FIG. 3A) are the same as the transistor 100; Can be referred to.

次に、フォトリソグラフィ工程を行って、導電膜112上にレジストマスクを形成し、該
レジストマスクを用いてエッチングして、第1の電極113を形成する(図10(A)参
照)。該エッチングは、上記したように第1の電極113の端部が垂直な形状となるよう
に、異方性の高いエッチングを行うことが好ましい。異方性の高いエッチング条件として
は、該レジストマスクに対して導電膜112の選択比が極端に高いことが好ましい。
Next, a photolithography step is performed to form a resist mask over the conductive film 112 and etching is performed using the resist mask to form a first electrode 113 (see FIG. 10A). The etching is preferably performed with high anisotropy so that the end of the first electrode 113 has a vertical shape as described above. As etching conditions with high anisotropy, it is preferable that the selectivity of the conductive film 112 with respect to the resist mask be extremely high.

次に、酸化物半導体膜140にドーパント150を添加する処理(第1のドーパント添加
処理)を行う(図10(B)参照。)。なお、第1のドーパント添加処理において、ドー
パント150の種類(添加する元素)、およびドーパント150を添加する方法は、実施
の形態1と同様である。
Next, treatment for adding the dopant 150 (first dopant addition treatment) is performed on the oxide semiconductor film 140 (see FIG. 10B). In the first dopant addition process, the type of the dopant 150 (element to be added) and the method of adding the dopant 150 are the same as in the first embodiment.

第1のドーパント添加処理において、第1の電極113はマスクとして機能し、ドーパン
ト150はゲート絶縁膜111を通過して酸化物半導体膜140に添加される。これによ
り、ドーパント150が添加された酸化物半導体領域214a、214bが形成される。
また、酸化物半導体膜140の第1の電極113と重なる領域には添加されないため、第
1の領域105が形成される。
In the first dopant addition treatment, the first electrode 113 functions as a mask, and the dopant 150 passes through the gate insulating film 111 and is added to the oxide semiconductor film 140. Thus, the oxide semiconductor regions 214a and 214b to which the dopant 150 is added are formed.
Further, since the oxide semiconductor film 140 is not added to a region overlapping with the first electrode 113, the first region 105 is formed.

次に、サイドウォール絶縁膜215を形成する。サイドウォール絶縁膜215は、下地絶
縁膜102およびゲート絶縁膜111で説明した絶縁膜のいずれかで形成される。
Next, sidewall insulating films 215 are formed. The sidewall insulating film 215 is formed of any of the insulating films described in the base insulating film 102 and the gate insulating film 111.

トランジスタ200は、第1の領域105、一対の第2の領域123a、123bおよび
一対の第3の領域223a、223bのいずれの領域においても、ゲート絶縁膜111が
接して設けられている。このような構造とするには、ゲート絶縁膜111とサイドウォー
ル絶縁膜215をエッチングレートの異なる絶縁膜とすればよい。このようにすることで
、サイドウォール絶縁膜215を形成する際に、ゲート絶縁膜111をエッチングストッ
パーとして機能させることができる。ゲート絶縁膜111をエッチングストッパーとして
用いることにより、酸化物半導体膜140への過剰なエッチングを抑制することができる
。さらに、サイドウォール絶縁膜215を形成する際のエッチングの終点(エンドポイン
ト)も容易に検出できる。また、ゲート絶縁膜111をエッチングストッパーとして機能
させることで、サイドウォール絶縁膜215の幅(図9(B)のサイドウォール絶縁膜2
15がゲート絶縁膜111と接している箇所の幅)の制御が容易になる。一対の第3の領
域223a、223bの範囲は、サイドウォール絶縁膜215の幅に対応して決まる。一
対の第3の領域223a、223bの範囲を大きくすると、それだけチャネル形成領域で
ある第1の領域105に加わる電界を緩和することができる。
The gate insulating film 111 is provided in contact with the transistor 200 in any of the first region 105, the pair of second regions 123a and 123b, and the pair of third regions 223a and 223b. In order to form such a structure, the gate insulating film 111 and the sidewall insulating film 215 may be insulating films having different etching rates. In this manner, the gate insulating film 111 can function as an etching stopper when the sidewall insulating film 215 is formed. By using the gate insulating film 111 as an etching stopper, excessive etching of the oxide semiconductor film 140 can be suppressed. Furthermore, the end point (end point) of etching when forming the sidewall insulating film 215 can be easily detected. In addition, by causing the gate insulating film 111 to function as an etching stopper, the width of the sidewall insulating film 215 (the sidewall insulating film 2 in FIG.
Control of the width of the portion where 15 is in contact with the gate insulating film 111 is facilitated. The range of the pair of third regions 223 a and 223 b is determined corresponding to the width of the sidewall insulating film 215. By increasing the range of the pair of third regions 223a and 223b, the electric field applied to the first region 105 which is the channel formation region can be reduced accordingly.

まず、ゲート絶縁膜111および第1の電極113上に、サイドウォール絶縁膜215と
なる絶縁膜114を形成する(図10(C)参照)。絶縁膜114は、下地絶縁膜102
またはゲート絶縁膜111と同様にして形成することができ、実施の形態1で説明した窒
化物絶縁膜のいずれかとすることが好ましい。また、絶縁膜114の厚さは特に限定はな
いが、第1の電極113の形状に対する被覆性を考慮して、適宜選択すればよい。
First, the insulating film 114 to be the sidewall insulating film 215 is formed over the gate insulating film 111 and the first electrode 113 (see FIG. 10C). The insulating film 114 is a base insulating film 102.
Alternatively, the gate insulating film 111 can be formed in a manner similar to that of the gate insulating film 111 and is preferably any of the nitride insulating films described in Embodiment 1. The thickness of the insulating film 114 is not particularly limited, but may be appropriately selected in consideration of the coverage with the shape of the first electrode 113.

絶縁膜114をエッチングすることによりサイドウォール絶縁膜215を形成する。該エ
ッチングは、異方性の高いエッチングであり、サイドウォール絶縁膜215は、絶縁膜1
14に異方性の高いエッチング工程を行うことでセルフアラインに形成することができる
。ここで、異方性の高いエッチングとしては、ドライエッチングが好ましく、例えば、エ
ッチングガスとして、トリフルオロメタン(CHF)、オクタフルオロシクロブタン(
)、テトラフルオロメタン(CF)などのフッ素を含むガスを用いることがで
き、ヘリウム(He)やアルゴン(Ar)などの希ガスまたは水素(H)を添加しても
良い。さらに、ドライエッチングとして、基板に高周波電圧を印加する、反応性イオンエ
ッチング法(RIE法)を用いるのが好ましい。
By etching the insulating film 114, a sidewall insulating film 215 is formed. The etching is etching with high anisotropy, and the sidewall insulating film 215 is an insulating film 1.
By performing an etching process with high anisotropy to 14, it is possible to form self-alignment. Here, dry etching is preferable as etching with high anisotropy. For example, trifluoromethane (CHF 3 ) or octafluorocyclobutane (CHF 3 ) is used as an etching gas.
A gas containing fluorine such as C 4 F 8 ) or tetrafluoromethane (CF 4 ) can be used, and a rare gas such as helium (He) or argon (Ar) or hydrogen (H 2 ) may be added. . Furthermore, it is preferable to use a reactive ion etching method (RIE method) which applies a high frequency voltage to the substrate as dry etching.

また、後に形成される一対の第3の領域223a、223bのドーパント濃度は、サイド
ウォール絶縁膜215の厚さに対応することから、一対の第3の領域223a、223b
のドーパント濃度が上記した値となるように、サイドウォール絶縁膜215の厚さ、さら
には第1の電極113の厚さを決めればよい。なお、ここでのサイドウォール絶縁膜21
5の厚さとは、サイドウォール絶縁膜215において、ゲート絶縁膜111と接している
面から、第1の電極113と接している面の最頂部までをいう。
Further, since the dopant concentration of the pair of third regions 223a and 223b formed later corresponds to the thickness of the sidewall insulating film 215, the pair of third regions 223a and 223b is formed.
The thickness of the sidewall insulating film 215, and further, the thickness of the first electrode 113 may be determined so that the dopant concentration of the above becomes the above-mentioned value. The side wall insulating film 21 here
The thickness 5 means from the surface in contact with the gate insulating film 111 to the top of the surface in contact with the first electrode 113 in the sidewall insulating film 215.

また、一対の第3の領域223a、223bの範囲は、サイドウォール絶縁膜215の幅
に対応して決まり、サイドウォール絶縁膜215の幅は、第1の電極113の厚さにも対
応することから、一対の第3の領域223a、223bの範囲が、所望の範囲となるよう
に、第1の電極113の厚さを決めればよい。
The range of the pair of third regions 223 a and 223 b is determined corresponding to the width of the sidewall insulating film 215, and the width of the sidewall insulating film 215 also corresponds to the thickness of the first electrode 113. Thus, the thickness of the first electrode 113 may be determined so that the range of the pair of third regions 223a and 223b is a desired range.

次に、酸化物半導体領域214a、214bにドーパント150を添加する処理(第2の
ドーパント添加処理)を行う(図10(D)参照)。なお、ドーパント150の種類(添
加する元素)、およびドーパント150を添加する方法は実施の形態1と同様である。
Next, a treatment (second dopant addition treatment) of adding the dopant 150 to the oxide semiconductor regions 214a and 214b is performed (see FIG. 10D). Note that the type of the dopant 150 (element to be added) and the method of adding the dopant 150 are the same as in the first embodiment.

第2のドーパント添加処理においても、第1の電極113はマスクとして機能し、ドーパ
ント150はゲート絶縁膜111およびサイドウォール絶縁膜215を通過して、酸化物
半導体領域214a、214bに添加される。そして、添加されるドーパント150は、
ゲート絶縁膜111だけを通過して添加される領域より、ゲート絶縁膜111およびサイ
ドウォール絶縁膜215を通過して添加される領域のほうが少ない。従って、酸化物半導
体領域214a、214bにドーパント濃度差をセルフアラインに設けることができる。
Also in the second dopant addition treatment, the first electrode 113 functions as a mask, and the dopant 150 passes through the gate insulating film 111 and the sidewall insulating film 215, and is added to the oxide semiconductor regions 214a and 214b. And the dopant 150 to be added is
The region added through the gate insulating film 111 and the sidewall insulating film 215 is smaller than the region added through only the gate insulating film 111. Therefore, the dopant concentration difference can be provided in self alignment in the oxide semiconductor regions 214a and 214b.

本実施の形態においても、ドーパント150が添加された領域は、ドーパント150の添
加のダメージにより結晶性が低減し、非晶質領域となる。ドーパント150を添加する量
などを調節することによって、ダメージ量を低減させ、完全な非晶質領域とならないよう
に形成することもできる。つまり、ドーパント150が添加された領域は、少なくとも第
1の領域105よりも非晶質領域の割合が大きい領域となるということである。完全な非
晶質領域とさせないほうが、次に行う第3の加熱処理による結晶化が容易に行われるため
、好ましい。
Also in this embodiment, the region to which the dopant 150 is added is reduced in crystallinity by damage due to the addition of the dopant 150 and becomes an amorphous region. By adjusting the amount of addition of the dopant 150 or the like, the amount of damage can be reduced and the semiconductor layer can be formed so as not to be a complete amorphous region. That is, the region to which the dopant 150 is added is a region in which the proportion of amorphous regions is higher than at least the first region 105. It is preferable not to form a completely amorphous region because crystallization by the third heat treatment to be performed next is easily performed.

次に、トランジスタ100の作製工程と同様に、第3の加熱処理を行い、ドーパント15
0が添加された領域を、ドーパントを含んで、かつ複数の結晶部を有する酸化物半導体領
域である一対の第2の領域123a、123bおよび一対の第3の領域223a、223
bとすることができる(図10(E)参照)。なお、第3の加熱処理の加熱条件および加
熱装置は、実施の形態1での説明と同様である。
Next, third heat treatment is performed in a similar manner to the manufacturing process of the transistor 100, and
A pair of second regions 123a and 123b and a pair of third regions 223a and 223 which are oxide semiconductor regions containing a dopant and having a plurality of crystal parts, in which 0 is added are included.
It can be b (see FIG. 10E). Note that the heating condition and the heating device of the third heat treatment are the same as those described in Embodiment 1.

このように、第1の電極113をマスクとして、ドーパント150を酸化物半導体膜14
0に添加し、その後、第3の加熱処理を行うことで、チャネル形成領域となる第1の領域
105と、ソース領域およびドレイン領域となる一対の第2の領域123a、123bと
、電界緩和領域となる一対の第3の領域223a、223bとをセルフアラインに形成す
ることできる。
Thus, the dopant 150 is used as the oxide semiconductor film 14 with the first electrode 113 as a mask.
After the third heat treatment is performed, a first region 105 which is to be a channel formation region, a pair of second regions 123a and 123b which are to be a source region and a drain region, and an electric field relaxation region are added. The pair of third regions 223a and 223b can be formed in a self-aligned manner.

以降は、トランジスタ100の作製工程と同様に、層間絶縁膜117を形成し、ゲート絶
縁膜111および層間絶縁膜117に開口部116a、116bを形成し、開口部116
a、116bを介して一対の第2の領域123a、123bと接する第2の電極119a
および第3の電極119bを形成する。なお、層間絶縁膜117、開口部116a、11
6b、第2の電極119aおよび第3の電極119bを形成する工程は、実施の形態1で
の説明と同様である。
Thereafter, the interlayer insulating film 117 is formed, and the openings 116 a and 116 b are formed in the gate insulating film 111 and the interlayer insulating film 117 in the same manner as the manufacturing process of the transistor 100.
and a second electrode 119a in contact with the pair of second regions 123a and 123b through 116b.
And the third electrode 119b. Interlayer insulating film 117 and openings 116a and 11
The steps of forming the 6b, the second electrode 119a, and the third electrode 119b are the same as those described in Embodiment 1.

以上により、トランジスタ200を作製することができる(図9参照)。 Through the above steps, the transistor 200 can be manufactured (see FIG. 9).

また、上記は第1のドーパント添加処理および第2のドーパント添加処理というように、
2回のドーパント添加処理を行っている。しかし、第1のドーパント添加処理を行う前に
、サイドウォール絶縁膜215を形成し、そのあと、所望のドーパント濃度となるように
ドーパント添加処理を行い、トランジスタ200を形成してもよい。なお、該所望のドー
パント濃度とは、トランジスタ200の一対の第2の領域123a、123bおよび一対
の第3の領域223a、223bにおけるドーパント濃度である。
Also, the above is a first dopant addition treatment and a second dopant addition treatment.
Two doping processes are performed. However, the sidewall insulating film 215 may be formed before the first dopant addition treatment, and then, the dopant addition treatment may be performed to achieve a desired dopant concentration, whereby the transistor 200 may be formed. Note that the desired dopant concentration is a dopant concentration in the pair of second regions 123 a and 123 b and the pair of third regions 223 a and 223 b of the transistor 200.

〈トランジスタ200の変形例1〉
また、第3の加熱処理を、550℃以上基板歪み点温度未満、かつ酸化性雰囲気で行うこ
とで、一対の第2の領域123a、123b内に、ドーパント150を含んで、かつ複数
の結晶部を有する酸化物半導体領域109a、109b上に、ドーパント150を含んで
、かつc軸配向した結晶部を有する非単結晶の酸化物半導体領域107a、107bを形
成することができ、一対の第3の領域223a、223bにおいても、ドーパント150
含んで、かつ複数の結晶部を有する酸化物半導体領域209a、209b上にドーパント
150を含んで、かつc軸配向した結晶部を有する非単結晶の酸化物半導体領域207a
、207bを形成することができる。
<Variation 1 of Transistor 200>
In addition, by performing the third heat treatment at a temperature higher than or equal to 550 ° C. and lower than the strain point temperature of the substrate and in an oxidizing atmosphere, the dopant 150 is included in the pair of second regions 123 a and 123 b and a plurality of crystal parts A non-single-crystal oxide semiconductor region 107a or 107b which includes a dopant 150 and has a c-axis-oriented crystal portion can be formed over the oxide semiconductor regions 109a and 109b. Also in the regions 223a and 223b, the dopant 150 is
A non-single-crystal oxide semiconductor region 207a including a dopant 150 on the oxide semiconductor regions 209a and 209b including a plurality of crystal parts and having a c-axis aligned crystal part
, 207b can be formed.

この場合において完成したトランジスタ260の上面図を図11(A)に示す。さらに、
図11(A)のA−B間における断面図を図11(B)に示す。
A top view of the transistor 260 completed in this case is illustrated in FIG. further,
FIG. 11B is a cross-sectional view taken along line A-B in FIG.

トランジスタ260の一対の第2の領域123a、123bは、ドーパント150を含ん
で、かつc軸配向した結晶部を有する非単結晶の酸化物半導体領域107a、107b、
およびドーパント150を含んで、かつ複数の結晶部を有する酸化物半導体領域109a
、109bによって構成される(図11(B)参照)。なお、酸化物半導体領域107a
、107bと酸化物半導体領域109a、109bとのドーパント濃度は同じである。
A pair of second regions 123a and 123b of the transistor 260 includes the dopant 150 and is a non-single-crystal oxide semiconductor region 107a and 107b having a c-axis aligned crystal part.
And the dopant 150, and the oxide semiconductor region 109a having a plurality of crystal parts
, 109b (see FIG. 11B). Note that the oxide semiconductor region 107a
And 107b and the oxide semiconductor regions 109a and 109b have the same dopant concentration.

また、トランジスタ260の一対の第3の領域223a、223bは、ドーパント150
を含んで、かつc軸配向した結晶部を有する非単結晶の酸化物半導体領域207a、20
7b、およびドーパント150を含んで、かつ複数の結晶部を有する酸化物半導体領域2
09a、209bによって構成される(図11(B)参照)。
In addition, the pair of third regions 223 a and 223 b of the transistor 260 is a dopant 150.
A non-single crystal oxide semiconductor region 207a, 20 having a crystal part containing c and having c axis orientation.
7b and the dopant 150, and the oxide semiconductor region 2 having a plurality of crystal parts
It is comprised by 09a and 209b (refer FIG. 11 (B)).

上記したように、一対の第3の領域223a、223bは、一対の第2の領域123a、
123bよりドーパント濃度が低いことから、酸化物半導体領域207a、207bおよ
び酸化物半導体領域209a、209bは、酸化物半導体領域107a、107bおよび
酸化物半導体領域109a、109bよりドーパント濃度が低い。なお、酸化物半導体領
域207a、207bと酸化物半導体領域209a、209bとのドーパント濃度は同じ
である。
As described above, the pair of third regions 223a, 223b is a pair of second regions 123a,
Since the dopant concentration is lower than that of 123b, the oxide semiconductor regions 207a and 207b and the oxide semiconductor regions 209a and 209b have a dopant concentration lower than that of the oxide semiconductor regions 107a and 107b and the oxide semiconductor regions 109a and 109b. Note that the dopant concentrations of the oxide semiconductor regions 207a and 207b and the oxide semiconductor regions 209a and 209b are the same.

また、第2の電極119aおよび第3の電極119bは、開口部116a、116bを介
して酸化物半導体領域107a、107bと接している。トランジスタ260のその他の
構成は、トランジスタ160と同様である。
The second electrode 119a and the third electrode 119b are in contact with the oxide semiconductor regions 107a and 107b through the openings 116a and 116b. The other configuration of the transistor 260 is similar to that of the transistor 160.

また、上記した条件で第3の加熱処理を1時間行うと、上記酸化物半導体領域107a、
107bは、一対の第2の領域123a、123bの上面から一対の第2の領域123a
、123bの下面方向に、少なくとも2nm形成される。また、上記条件で行う第3の加
熱処理の時間を長くすることによって、上記酸化物半導体領域107a、107bを厚く
形成することができる。
In addition, when the third heat treatment is performed for one hour under the above conditions, the oxide semiconductor region 107a,
107 b is a pair of second regions 123 a and 123 b from the top surface of the pair of second regions 123 a
, 123b in the direction of the lower surface, at least 2 nm. Further, the oxide semiconductor regions 107a and 107b can be formed thicker by lengthening the time of the third heat treatment performed under the above conditions.

そして、トランジスタ200とトランジスタ260とでは、一対の第2の領域123a、
123bおよび一対の第3の領域223a、223bの構成が異なるだけであり、トラン
ジスタ200に係る説明はトランジスタ260においても適用される。
In the transistor 200 and the transistor 260, the pair of second regions 123a,
The description of the transistor 200 is also applied to the transistor 260, with the only difference being the configuration of 123b and the pair of third regions 223a and 223b.

トランジスタ260においても、第1の領域105に形成されるチャネルにおけるバンド
端の曲がりを小さくする効果を示し、トランジスタ260はしきい値電圧がマイナス方向
に変動するなど、チャネル長を短くすることで生じる影響を低減できる。さらに、第2の
電極119aおよび第3の電極119bと一対の第2の領域123a、123bとの接触
抵抗を低減することができ、トランジスタ260のオン電流を増加させることができる。
The transistor 260 also has an effect of reducing the bending of the band edge in the channel formed in the first region 105, and the transistor 260 is generated by shortening the channel length, such as the threshold voltage fluctuating in the negative direction. The impact can be reduced. Furthermore, the contact resistance between the second electrode 119a and the third electrode 119b and the pair of second regions 123a and 123b can be reduced, and the on-state current of the transistor 260 can be increased.

また、トランジスタ260は、一対の第2の領域123a、123bが酸化物半導体領域
107a、107bおよび酸化物半導体領域109a、109bであることから、仮に一
対の第2の領域123a、123bが非晶質な領域である場合に比べ、光照射の前後およ
びBT(ゲート・熱バイアス)ストレス試験前後におけるしきい値電圧の変動が小さいと
考えられ、信頼性の高いトランジスタである。
In the transistor 260, the pair of second regions 123a and 123b is the oxide semiconductor regions 107a and 107b and the oxide semiconductor regions 109a and 109b, so the pair of second regions 123a and 123b is temporarily amorphous. It is considered that the fluctuation of the threshold voltage before and after light irradiation and before and after the BT (gate and thermal bias) stress test is smaller than in the case of the above region, and the transistor is highly reliable.

〈トランジスタ200の変形例2〉
トランジスタ200の作製方法の第1の電極113を形成する際に、ゲート絶縁膜111
も同時にエッチングすることで、酸化物半導体膜103の第1の領域105上のみにゲー
ト絶縁膜121を設けることができる。
<Variation 2 of Transistor 200>
When the first electrode 113 in the method for manufacturing the transistor 200 is formed, the gate insulating film 111 is formed.
At the same time, the gate insulating film 121 can be provided only on the first region 105 of the oxide semiconductor film 103 by etching.

この場合において完成したトランジスタ270の上面図を図12(A)に示す。さらに、
図12(A)のA−B間における断面図を図12(B)に示す。トランジスタ270の上
面構造はトランジスタ200と同様であり、トップゲート構造かつトップコンタクト構造
のトランジスタである。
A top view of the transistor 270 completed in this case is illustrated in FIG. further,
A cross-sectional view taken along line A-B in FIG. 12A is shown in FIG. The top surface structure of the transistor 270 is similar to that of the transistor 200, and is a top gate and top contact transistor.

そして、トランジスタ200とトランジスタ270とでは、ゲート絶縁膜の形状が異なる
だけであり、トランジスタ200に係る説明はトランジスタ270においても適用される
The transistor 200 and the transistor 270 are different only in the shape of the gate insulating film, and the description of the transistor 200 is also applied to the transistor 270.

それゆえ、トランジスタ270においても、第1の領域105に形成されるチャネルにお
けるバンド端の曲がりを小さくする効果を示し、トランジスタ270はしきい値電圧がマ
イナス方向に変動するなど、チャネル長を短くすることで生じる影響を低減できる。さら
に、第2の電極119aおよび第3の電極119bと一対の第2の領域123a、123
bとの接触抵抗を低減することができ、トランジスタ270のオン電流を増加させること
ができる。
Therefore, also in the transistor 270, the effect of reducing the band edge bending in the channel formed in the first region 105 is exhibited, and in the transistor 270, the channel length is shortened, for example, the threshold voltage fluctuates in the negative direction. You can reduce the impact of Furthermore, the second electrode 119a and the third electrode 119b and the pair of second regions 123a and 123
The contact resistance with b can be reduced, and the on current of the transistor 270 can be increased.

また、トランジスタ270は、一対の第2の領域123a、123bが複数の結晶部を有
する酸化物半導体領域であることから、仮に一対の第2の領域123a、123bが非晶
質な領域である場合に比べ、光照射の前後およびBT(ゲート・熱バイアス)ストレス試
験前後におけるしきい値電圧の変動が小さいと考えられ、信頼性の高いトランジスタであ
る。
In the case where the pair of second regions 123a and 123b is an amorphous region, the transistor 270 is an oxide semiconductor region in which the pair of second regions 123a and 123b is a plurality of crystal parts. In this transistor, the fluctuation of the threshold voltage before and after light irradiation and before and after the BT (gate and thermal bias) stress test is considered to be small, and the transistor is highly reliable.

トランジスタ270の作製方法について、図3、図13および図14を用いて説明する。
トランジスタ270は、導電膜112を形成する工程(図3(A)参照)までは、トラン
ジスタ100と同様である。
A method for manufacturing the transistor 270 is described with reference to FIGS. 3, 13 and 14.
The transistor 270 is similar to the transistor 100 up to the step of forming the conductive film 112 (see FIG. 3A).

導電膜112を形成した後、導電膜112およびゲート絶縁膜111をエッチングするこ
とで、第1の電極113および後に形成される酸化物半導体膜103の第1の領域105
上のみに重畳するゲート絶縁膜121を形成することができる(図13(A)参照)。
After the conductive film 112 is formed, the conductive film 112 and the gate insulating film 111 are etched to form the first electrode 113 and the first region 105 of the oxide semiconductor film 103 which is to be formed later.
A gate insulating film 121 which overlaps only on the top can be formed (see FIG. 13A).

また、ゲート絶縁膜121は第1の領域105のみに接しているため、酸化物半導体膜1
40の形状(段差)に沿って設けられていない。言い換えると、ゲート絶縁膜121には
酸化物半導体膜140の段差を乗り越えている部分がない。したがって、完成したトラン
ジスタ270においても、ゲート絶縁膜121に酸化物半導体膜103の段差を乗り越え
ている部分がないため、ゲート絶縁膜121の断切れなどを起因とするリーク電流を低減
し、かつゲート絶縁膜121の耐圧を高めることができる。よって、ゲート絶縁膜121
を5nm近くまで薄膜化して用いてもトランジスタ270を動作させることができる。な
お、ゲート絶縁膜121を薄膜化することで、チャネル長を短くすることで生じる影響を
低減でき、かつトランジスタの動作速度を高めることができる。
In addition, since the gate insulating film 121 is in contact with only the first region 105, the oxide semiconductor film 1 can be formed.
It is not provided along the 40 shapes (steps). In other words, the gate insulating film 121 has no portion which passes over the step of the oxide semiconductor film 140. Therefore, in the completed transistor 270 as well, since there is no portion in the gate insulating film 121 which passes over the step of the oxide semiconductor film 103, leakage current due to disconnection or the like of the gate insulating film 121 is reduced. The withstand voltage of the insulating film 121 can be increased. Therefore, the gate insulating film 121
Alternatively, the transistor 270 can be operated even when used as a thin film to about 5 nm. Note that by thinning the gate insulating film 121, an influence caused by shortening the channel length can be reduced and the operation speed of the transistor can be increased.

さらに、トランジスタ270はゲート絶縁膜121が段差を乗り越えている部分がないた
め、第1の電極113と一対の第2の領域123a、123bおよび一対の第3の領域2
23a、223bとの間に生じる寄生容量がほとんどない。それゆえ、トランジスタ27
0はチャネル長を縮小した場合においても、しきい値電圧の変動を低減することができる
Further, since the transistor 270 has no portion where the gate insulating film 121 passes over the step, the first electrode 113, the pair of second regions 123a and 123b, and the pair of third regions 2
There is almost no parasitic capacitance generated between 23a and 223b. Therefore, transistor 27
Even when the channel length is reduced, the variation of the threshold voltage can be reduced.

次に、第1のドーパント添加処理を行う(図13(B)参照)。該第1のドーパント添加
処理は、トランジスタ200と同様にして行えばよい。該第1のドーパント添加処理によ
って、ドーパント150が添加された酸化物半導体領域214a、214bが形成される
Next, a first dopant addition process is performed (see FIG. 13B). The first dopant addition treatment may be performed in a manner similar to that of the transistor 200. By the first doping process, oxide semiconductor regions 214a and 214b to which the dopant 150 is added are formed.

次に、サイドウォール絶縁膜215となる絶縁膜114を形成する(図13(C)参照)
。絶縁膜114は、下地絶縁膜102またはゲート絶縁膜111と同様にして形成するこ
とができ、実施の形態1で説明した酸化物絶縁膜または窒化物絶縁膜のいずれかとする。
また、絶縁膜114の厚さは特に限定はないが、第1の電極113の形状に対する被覆性
を考慮して、適宜選択すればよい。
Next, the insulating film 114 to be the sidewall insulating film 215 is formed (see FIG. 13C).
. The insulating film 114 can be formed in a similar manner to the base insulating film 102 or the gate insulating film 111, and is either the oxide insulating film or the nitride insulating film described in Embodiment 1.
The thickness of the insulating film 114 is not particularly limited, but may be appropriately selected in consideration of the coverage with the shape of the first electrode 113.

トランジスタ200と同様に、絶縁膜114をエッチングすることによりサイドウォール
絶縁膜215を形成する。該エッチングの詳細は上記を参照できる。
Similarly to the transistor 200, the insulating film 114 is etched to form a sidewall insulating film 215. The details of the etching can be referred to the above.

また、サイドウォール絶縁膜215の厚さは、サイドウォール絶縁膜215において、後
に酸化物半導体膜103となる酸化物半導体膜140と接している面から、第1の電極1
13と接している面の最頂部までをいう。そして、後に形成される一対の第3の領域22
3a、223bのドーパント濃度は、サイドウォール絶縁膜215の厚さに対応すること
から、一対の第2の領域123a、123bのドーパント濃度が、トランジスタ200で
説明した値となるように、サイドウォール絶縁膜215の厚さ、さらには第1の電極11
3の厚さを決めればよい。
In addition, the thickness of the sidewall insulating film 215 is the first electrode 1 from the surface in contact with the oxide semiconductor film 140 which is to be the oxide semiconductor film 103 later in the sidewall insulating film 215.
It says to the top of the face in contact with 13. And, a pair of third regions 22 formed later
Since the dopant concentration of 3 a and 223 b corresponds to the thickness of the sidewall insulating film 215, the sidewall insulating film 215 has sidewall insulating properties such that the dopant concentration of the pair of second regions 123 a and 123 b becomes the value described for the transistor 200. The thickness of the membrane 215 and further the first electrode 11
The thickness of 3 should be decided.

また、一対の第2の領域123a、123bの範囲は、サイドウォール絶縁膜215の幅
(例えば、図12(B)のサイドウォール絶縁膜215が酸化物半導体膜103と接して
いる箇所の幅)に対応して決まる。一対の第2の領域123a、123bの範囲を大きく
すると、それだけ第1の領域105に加わる電界を緩和することができる。
Further, the width of the pair of second regions 123 a and 123 b is the width of the sidewall insulating film 215 (for example, the width of a portion where the sidewall insulating film 215 in FIG. 12B is in contact with the oxide semiconductor film 103) Determined in response to By increasing the range of the pair of second regions 123a and 123b, the electric field applied to the first region 105 can be relaxed accordingly.

サイドウォール絶縁膜215の幅は、第1の電極113の厚さにも対応することから、一
対の第2の領域123a、123bの範囲が、所望の範囲となるように、第1の電極11
3の厚さを決めればよい。
The width of the sidewall insulating film 215 also corresponds to the thickness of the first electrode 113, so that the range of the pair of second regions 123a and 123b is within the desired range.
The thickness of 3 should be decided.

次に、第2のドーパント添加処理を行う。なお、トランジスタ270において、ドーパン
ト150を添加する処理は、トランジスタ200とは異なり、第1の電極113をマスク
とし、サイドウォール絶縁膜215を通過して添加される領域と、酸化物半導体膜140
の一部が露出した状態で添加される領域とがある(図13(D)参照)。
Next, a second dopant addition process is performed. Note that the process in which the dopant 150 is added in the transistor 270 is different from the process of the transistor 200, in which the first electrode 113 is used as a mask and a region added through the sidewall insulating film 215;
There is a region to be added in a state in which a part of L is exposed (see FIG. 13 (D)).

トランジスタ270のように、酸化物半導体膜140の一部が露出した状態でドーパント
150を添加する場合は、ドーパント150の添加方法として、イオンドーピング法また
はイオンインプランテーション法以外の方法を用いることができる。例えば、添加する元
素を含むガス雰囲気にてプラズマを発生させて、被添加物(ここでは、酸化物半導体膜1
40)に対して該プラズマを照射させるプラズマ処理である。該プラズマを発生させる装
置としては、ドライエッチング装置やプラズマCVD装置、高密度プラズマCVD装置な
どを用いることができる。また、該プラズマ処理は、基板101を加熱しながら行っても
よい。
In the case where the dopant 150 is added in a state where part of the oxide semiconductor film 140 is exposed as in the transistor 270, a method other than ion doping or ion implantation can be used as a method of adding the dopant 150. . For example, plasma is generated in a gas atmosphere containing an element to be added, and an additive (here, the oxide semiconductor film 1
40) plasma treatment for irradiating the plasma. As an apparatus for generating the plasma, a dry etching apparatus, a plasma CVD apparatus, a high density plasma CVD apparatus, or the like can be used. Further, the plasma treatment may be performed while heating the substrate 101.

以降、トランジスタ200と同様の工程を行うことで、トランジスタ270を作製するこ
とができる(図12参照)。
After that, the transistor 270 can be manufactured by performing the same process as the transistor 200 (see FIG. 12).

なお、トランジスタ200と同様に第1のドーパント添加処理を行う前に、サイドウォー
ル絶縁膜215を形成し、そのあと、所望のドーパント濃度となるようにドーパント添加
処理を行い、トランジスタ270を形成してもよい。
Note that the sidewall insulating film 215 is formed before the first dopant addition treatment is performed similarly to the transistor 200, and then, the dopant addition treatment is performed to achieve a desired dopant concentration, whereby the transistor 270 is formed. It is also good.

また、トランジスタ270においても、ドーパント150を添加したあとに行う第3の加
熱処理を、550℃以上基板歪み点温度未満、かつ酸化性雰囲気で行うことで、ドーパン
ト150含んで、かつ複数の結晶部を有する酸化物半導体領域109a、109b上にド
ーパント150を含んで、かつc軸配向した結晶部を有する非単結晶の酸化物半導体領域
107a、107bが設けられた一対の第2の領域123a、123bを形成することが
できる(図14参照。)。なお、図14における各符号は、トランジスタ200、トラン
ジスタ260およびトランジスタ270の各符号に対応する。
In the transistor 270, the third heat treatment performed after the addition of the dopant 150 is performed at a temperature higher than or equal to 550 ° C. and lower than the strain point temperature of the substrate and in an oxidizing atmosphere; A pair of second regions 123a and 123b in which non-single-crystal oxide semiconductor regions 107a and 107b including a dopant portion 150 and a c-axis-oriented crystal portion are provided over the oxide semiconductor regions 109a and 109b. (See FIG. 14). Each reference numeral in FIG. 14 corresponds to each reference numeral of the transistor 200, the transistor 260, and the transistor 270.

このように、開示する発明の一態様では、微細化に伴う問題点を解消することができるた
め、結果として、トランジスタサイズを十分に小さくすることが可能になる。トランジス
タサイズを十分に小さくすることで、半導体装置の占める面積が小さくなるため、半導体
装置の取り数が増大する。これにより、半導体装置あたりの製造コストは抑制される。ま
た、同等の機能を保ったまま半導体装置が小型化されるため、大きさを同程度とする場合
には、さらに機能が高められた半導体装置を実現することができる。また、チャネル長の
縮小による、動作の高速化、低消費電力化などの効果を得ることもできる。つまり、開示
する発明の一態様により酸化物半導体を用いたトランジスタの微細化が達成されることで
、これに付随する様々な効果を得ることが可能である。なお、本実施の形態は、他の実施
の形態および実施例と適宜組み合わせることができる。
As described above, one embodiment of the disclosed invention can solve the problems associated with miniaturization, and as a result, the transistor size can be sufficiently reduced. By sufficiently reducing the size of the transistor, the area occupied by the semiconductor device can be reduced, and the number of semiconductor devices can be increased. Thereby, the manufacturing cost per semiconductor device is suppressed. In addition, since the semiconductor device is miniaturized while maintaining the same function, when the size is made to be the same, it is possible to realize a semiconductor device with a further enhanced function. In addition, effects such as speeding up of operation and reduction of power consumption can be obtained by reducing the channel length. In other words, by achieving miniaturization of a transistor using an oxide semiconductor according to one embodiment of the disclosed invention, various effects associated with this can be obtained. Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments and examples as appropriate.

(実施の形態3)
本実施の形態では、本発明の他の一態様であるトランジスタの構造および作製方法につい
て、図15および図16を用いて説明する。
Third Embodiment
In this embodiment, a structure and a manufacturing method of a transistor which is another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

本実施の形態で説明するトランジスタは、実施の形態1で説明したトランジスタ100と
比較して、第2の電極119aおよび第3の電極119bが、酸化物半導体膜の一対の第
2の領域123a、123bの下面と接していることが異なる。つまり、本実施の形態で
示すトランジスタは、トップゲート構造かつボトムコンタクト構造のトランジスタである
。また、当該トップゲート構造かつボトムコンタクト構造としたトランジスタの断面図を
図15(A)に示す。
In the transistor described in this embodiment, the second electrode 119 a and the third electrode 119 b correspond to the pair of second regions 123 a of the oxide semiconductor film in comparison with the transistor 100 described in Embodiment 1. It is different that it is in contact with the lower surface of 123b. That is, the transistor described in this embodiment is a top gate and bottom contact transistor. A cross-sectional view of the top-gate and bottom-contact transistor is illustrated in FIG.

また、実施の形態1および実施の形態2で説明した全てのトランジスタについても、トッ
プゲート構造かつボトムコンタクト構造のトランジスタとすることができる。例えば、ト
ランジスタ160およびトランジスタ170においても、トップゲート構造かつボトムコ
ンタクト構造とすることができる。トランジスタ160をトップゲート構造かつボトムコ
ンタクト構造としたトランジスタの断面図を図15(B)に、トランジスタ170をトッ
プゲート構造かつボトムコンタクト構造としたトランジスタの断面図を図15(C)に示
す。
Further, all the transistors described in Embodiment 1 and Embodiment 2 can also be top-gate and bottom-contact transistors. For example, each of the transistor 160 and the transistor 170 can also have a top gate structure and a bottom contact structure. FIG. 15B shows a cross-sectional view of a transistor in which the transistor 160 has a top gate structure and a bottom contact structure, and FIG. 15C shows a cross-sectional view of a transistor in which the transistor 170 has a top gate structure and a bottom contact structure.

さらに、トランジスタ200をトップゲート構造かつボトムコンタクト構造としたトラン
ジスタの断面図を図16(A)に、トランジスタ260をトップゲート構造かつボトムコ
ンタクト構造としたトランジスタの断面図を図16(B)に、トランジスタ270をトッ
プゲート構造かつボトムコンタクト構造としたトランジスタの断面図を図16(C)に示
す。
Furthermore, FIG. 16A shows a cross-sectional view of a transistor in which the transistor 200 has a top gate structure and a bottom contact structure, and FIG. 16B shows a cross-sectional view of a transistor in which the transistor 260 has a top gate structure and a bottom contact structure. A cross-sectional view of a transistor in which the transistor 270 has a top gate structure and a bottom contact structure is illustrated in FIG.

図15(A)乃至図15(C)および図16(A)乃至図16(C)において、各符号は
トランジスタ100、トランジスタ160およびトランジスタ170、ならびにトランジ
スタ200、トランジスタ260およびトランジスタ270の各符号に対応することから
、各符号に関する説明は実施の形態1および実施の形態2の説明を適宜参照できる。なお
、各符号に関してだけではなく、実施の形態1および実施の形態2で説明したことは、本
実施の形態においても適用される。
In FIGS. 15A to 15C and FIGS. 16A to 16C, reference numerals indicate the respective symbols of the transistor 100, the transistor 160 and the transistor 170, and the respective symbols of the transistor 200, the transistor 260 and the transistor 270. Because of the correspondence, the description of each of the reference numerals can be appropriately referred to the description of Embodiment 1 and Embodiment 2. In addition to the reference numerals, what has been described in Embodiment 1 and Embodiment 2 is also applied to this embodiment.

また、図15(A)乃至図15(C)および図16(A)乃至図16(C)が示すトラン
ジスタの作製方法としては、それぞれ対応するトランジスタの作製工程の順番を入れ替え
て行えばよい。例えば、第2の電極119aおよび第3の電極119b形成する工程を、
下地絶縁膜102を形成する工程の次に行い、以降は、トランジスタ100、トランジス
タ160およびトランジスタ170、ならびにトランジスタ200、トランジスタ260
およびトランジスタ270の作製工程のうち、第2の電極119aおよび第3の電極11
9bを形成する工程以外の工程を、順次行えばよい。
Further, as a method for manufacturing the transistors illustrated in FIGS. 15A to 15C and FIGS. 16A to 16C, the order of manufacturing steps of the corresponding transistors may be changed. For example, in the process of forming the second electrode 119a and the third electrode 119b,
Subsequent to the step of forming the base insulating film 102, the transistor 100, the transistor 160 and the transistor 170, and the transistor 200 and the transistor 260 are performed.
And the second electrode 119 a and the third electrode 11 in the manufacturing process of the transistor 270.
Steps other than the step of forming 9b may be sequentially performed.

なお、図15(C)および図16(C)が示すトランジスタにおいて、酸化物半導体膜1
03を、図15(B)および図16(B)のように、一対の第2の領域123a、123
bを、ドーパント150を含んで、かつ複数の結晶部を有する酸化物半導体領域109a
、109b上に、ドーパント150を含んで、かつc軸配向した結晶部を有する非単結晶
の酸化物半導体領域107a、107bを設ける構成や、一対の第3の領域223a、2
23bを、ドーパント150を含んで、かつ複数の結晶部を有する酸化物半導体領域20
9a、209b上に、ドーパント150を含んで、かつc軸配向した結晶部を有する非単
結晶の酸化物半導体領域207a、207bを設ける構成としてもよい。本構成のトラン
ジスタの断面図は図示していない。
Note that in the transistors illustrated in FIGS. 15C and 16C, the oxide semiconductor film 1 is
As shown in FIG. 15 (B) and FIG. 16 (B), the pair of second regions 123a and 123 is used.
b, the dopant 150, and an oxide semiconductor region 109a having a plurality of crystal parts
And 109b, a non-single-crystal oxide semiconductor region 107a and 107b including a dopant 150 and having a c-axis aligned crystal part, or a pair of third regions 223a and 2b.
An oxide semiconductor region 20 including a dopant 150 and having a plurality of crystal parts.
A non-single-crystal oxide semiconductor region 207a or 207b which contains a dopant 150 and has a c-axis aligned crystal part may be provided over 9a or 209b. The cross-sectional view of the transistor of this configuration is not shown.

このように、開示する発明の一態様では、微細化に伴う問題点を解消することができるた
め、結果として、トランジスタサイズを十分に小さくすることが可能になる。トランジス
タサイズを十分に小さくすることで、半導体装置の占める面積が小さくなるため、半導体
装置の取り数が増大する。これにより、半導体装置あたりの製造コストは抑制される。ま
た、同等の機能を保ったまま半導体装置が小型化されるため、大きさを同程度とする場合
には、さらに機能が高められた半導体装置を実現することができる。また、チャネル長の
縮小による、動作の高速化、低消費電力化などの効果を得ることもできる。つまり、開示
する発明の一態様により酸化物半導体を用いたトランジスタの微細化が達成されることで
、これに付随する様々な効果を得ることが可能である。なお、本実施の形態は、他の実施
の形態と適宜組み合わせることができる。
As described above, one embodiment of the disclosed invention can solve the problems associated with miniaturization, and as a result, the transistor size can be sufficiently reduced. By sufficiently reducing the size of the transistor, the area occupied by the semiconductor device can be reduced, and the number of semiconductor devices can be increased. Thereby, the manufacturing cost per semiconductor device is suppressed. In addition, since the semiconductor device is miniaturized while maintaining the same function, when the size is made to be the same, it is possible to realize a semiconductor device with a further enhanced function. In addition, effects such as speeding up of operation and reduction of power consumption can be obtained by reducing the channel length. In other words, by achieving miniaturization of a transistor using an oxide semiconductor according to one embodiment of the disclosed invention, various effects associated with this can be obtained. Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments as appropriate.

(実施の形態4)
本実施の形態では、実施の形態1乃至実施の形態3に示したトランジスタのソース領域お
よびドレイン領域、ならびに電界緩和領域として機能する、ドーパントが添加された領域
において、該ドーパントの結合状態、およびドーパントが添加された領域を構成する酸化
物半導体の電子状態について、図17および図18を参照して説明する。
Embodiment 4
In this embodiment, in a region to which a dopant is added which functions as a source region and a drain region and a field relaxation region of the transistor described in Embodiments 1 to 3, the bonding state of the dopant, and the dopant The electronic states of the oxide semiconductor forming the region to which H is added are described with reference to FIGS.

例えば、トランジスタ100において、ドーパントを含んだ領域である一対の第2の領域
123a、123bは、ドーパントを含まない第1の領域105より導電率が高い。
For example, in the transistor 100, the pair of second regions 123a and 123b which are regions containing a dopant has higher conductivity than the first region 105 which does not include a dopant.

この導電率の増大は、一対の第2の領域123a、123bを構成する酸化物半導体にド
ーパントが添加されることにより、該酸化物半導体中にキャリアが生成されるためと予想
できる。
This increase in conductivity can be expected to be due to the generation of carriers in the oxide semiconductor by the addition of the dopant to the oxide semiconductor forming the pair of second regions 123a and 123b.

そこで、本実施の形態は、ドーパントを添加した構造の酸化物半導体において、第一原理
分子動力学(First−Principles Molecular Dynamic
s:FPMD)計算および構造最適化計算による該酸化物半導体の結合状態および電子状
態ついて説明する。なお、該酸化物半導体はIn−Ga−Zn−O系の金属酸化物とし、
上記計算の簡略化のため、In−Ga−Zn−O系の金属酸化物は非晶質であると仮定す
る(以下、a−IGZOと記す。)。さらに、ドーパントはリン(P)原子とする。
Thus, in this embodiment, a first principle molecular dynamics (First-Principles Molecular Dynamic) is used in an oxide semiconductor having a structure to which a dopant is added.
The bonding state and electronic state of the oxide semiconductor by s: FPMD calculation and structure optimization calculation are described. Note that the oxide semiconductor is an In-Ga-Zn-O-based metal oxide,
In order to simplify the above calculation, it is assumed that the In-Ga-Zn-O-based metal oxide is amorphous (hereinafter referred to as a-IGZO). Furthermore, the dopant is a phosphorus (P) atom.

上記計算は、1原子のリンを配置した(添加した)a−IGZOに対して行っている。具
体的に、a−IGZOは、単位セルあたり84原子であり、組成比はIn:Ga:Zn:
O=1:1:1:4(原子数比)であり、密度は5.9gcm−3であり、格子定数はa
=b=c=1.02nmかつα=β=γ=90°であると仮定している。
The above calculation is performed on a-IGZO in which 1 atom of phosphorus is disposed (added). Specifically, a-IGZO has 84 atoms per unit cell, and the composition ratio is In: Ga: Zn:
O = 1: 1: 1: 4 (atomic number ratio), density is 5.9 g cm −3 , lattice constant is a
It is assumed that = b = c = 1.02 nm and α = β = γ = 90 °.

また、上記計算を行うにあたり、計算プログラムは、Accelrys社製の第一原理量
子力学プログラムであるCASTEPを用いた。汎関数はGGA−PBEを、擬ポテンシ
ャルはUltrasoftをそれぞれ用いた。カットオフエネルギーは260eV(DO
S計算では380eV)、k点の数は1×1×1である。FPMD計算はNVTアンサン
ブルで行い温度は1500Kとした。総計算時間は0.3psで時間刻み幅は1.0fs
である。
Moreover, in performing the said calculation, the calculation program used CASTEP which is a first principle quantum mechanics program made from Accelrys. The functional used GGA-PBE, and the pseudopotential used Ultrasoft. The cutoff energy is 260 eV (DO
In the S calculation, 380 eV), and the number of k points is 1 × 1 × 1. The FPMD calculation was performed with the NVT ensemble at a temperature of 1500K. Total calculation time is 0.3 ps and time step size is 1.0 fs
It is.

上記計算における初期構造、および上記計算後の最終構造を図17に示す。図17(A)
は初期構造を示す図であり、図17(B)は最終構造を示す図である。該初期構造とは、
a−IGZOに対して、任意の位置にリン原子を配置しただけの構造に相当する。該最終
構造とは、上記計算を行ったあと、すなわち、構造最適化後の構造に相当する。また、構
造最適化が行われた最終構造は、実施の形態1乃至実施の形態3で説明したトランジスタ
において、ドーパントを含む酸化物半導体領域の構造に相当する。
The initial structure in the above calculation and the final structure after the above calculation are shown in FIG. Figure 17 (A)
FIG. 17 shows the initial structure, and FIG. 17 (B) shows the final structure. The initial structure is
It corresponds to a structure in which a phosphorus atom is disposed at an arbitrary position with respect to a-IGZO. The final structure corresponds to the structure after the above calculation, that is, the structure after structure optimization. Further, the final structure subjected to the structure optimization corresponds to the structure of the oxide semiconductor region containing a dopant in the transistors described in Embodiments 1 to 3.

図17(A)のように初期構造におけるリン原子は、a−IGZOを構成している元素の
間に配置(添加)されるものとしている。なお、図17において、黒丸は酸素原子を表し
、白丸は金属原子(In原子、Zn原子またはGa原子)を表し、灰色の丸はリン原子を
表している。
As shown in FIG. 17A, phosphorus atoms in the initial structure are arranged (added) between the elements constituting a-IGZO. In FIG. 17, black circles represent oxygen atoms, white circles represent metal atoms (In atoms, Zn atoms or Ga atoms), and gray circles represent phosphorus atoms.

上記計算を行った結果、最終構造におけるリン原子は「一のZn原子と結合」、「二の酸
素原子と一重結合」、および「一の酸素原子と二重結合」を形成する。つまり、リン原子
は酸素原子と結合した状態でZn原子に配位している(図17(B)参照)。
As a result of the above calculation, the phosphorus atom in the final structure forms "a bond with one Zn atom", a "two oxygen atom with a single bond", and a "double bond with an oxygen atom". That is, the phosphorus atom is coordinated to the Zn atom in a state of being bonded to the oxygen atom (see FIG. 17B).

なお、リン原子が結合している金属原子がZn原子であることは、結合エネルギーの観点
から説明できる。
The fact that the metal atom to which the phosphorus atom is bonded is a Zn atom can be explained from the viewpoint of bonding energy.

Zn原子と酸素原子との結合エネルギーは、他の金属原子(In原子およびGa原子)と
酸素原子との結合エネルギーより低いことから、Zn原子と酸素原子との結合は、他の結
合に比べて切断されやすい結合であるといえる。従って、構造最適化後は、リン原子が周
りの酸素原子を従えてZn原子に配位すると考えられる。ただし、このことは、リン原子
とZn原子と結合する可能性が一番高いということを示すものであり、リン原子が結合す
る金属原子はZn原子に限らず、a−IGZOを構成する他の金属原子の場合もある。
The bond energy between Zn atom and oxygen atom is lower than the bond energy between other metal atoms (In and Ga atoms) and oxygen atom, so the bond between Zn atom and oxygen atom is lower than that of other bonds. It can be said that the bond is susceptible to cleavage. Therefore, after structural optimization, it is believed that the phosphorus atom coordinates the surrounding oxygen atom to the Zn atom. However, this indicates that the possibility of bonding between the phosphorus atom and the Zn atom is the highest, and the metal atom to which the phosphorus atom is bonded is not limited to the Zn atom, and other metals constituting a-IGZO It may be a metal atom.

次に、構造最適化後の構造における状態密度図を図18に示す。図18(A)はリン原子
を配置(添加)していないa−IGZOにおける状態密度図である。また、図18(B)
はリン原子を配置(添加)し、かつ構造最適化後のa−IGZO(図17(B)に相当す
る。)における状態密度図である。図18(B)の実線は、リン原子を配置(添加)し、
かつ構造最適化後のa−IGZOの全状態密度を表し、図18(B)の破線は、該構造最
適化後のa−IGZOにおけるリン原子の部分状態密度を表す。図18(A)および図1
8(B)ともに横軸はエネルギー[eV]、縦軸は構造最適化後の構造における状態密度
[states/eV]を表す。なお、図18(A)および図18(B)に示したどちら
の状態密度図もエネルギーの原点は、フェルミレベルに取ってある。
Next, FIG. 18 shows a state density diagram of the structure after structure optimization. FIG. 18A is a state density diagram in a-IGZO in which no phosphorus atom is disposed (added). Also, FIG. 18 (B)
Is a state density diagram in a-IGZO (corresponding to FIG. 17 (B)) after arrangement (addition) of phosphorus atoms and structure optimization. The solid line in FIG. 18B arranges (adds) a phosphorus atom,
And the full state density of a-IGZO after structure optimization is represented, The broken line of FIG. 18 (B) represents the partial state density of the phosphorus atom in a-IGZO after this structure optimization. Figure 18 (A) and Figure 1
In both of 8 (B), the horizontal axis represents energy [eV], and the vertical axis represents the density of states [states / eV] in the structure after structure optimization. In both state density diagrams shown in FIGS. 18 (A) and 18 (B), the origin of energy is taken at the Fermi level.

図18(A)より、全状態密度において、リン原子を配置していないa−IGZOのフェ
ルミレベルと、価電子帯の上端とが一致しており、バンドギャップ上に伝導帯が形成され
ている。
As shown in FIG. 18A, in all density of states, the Fermi level of a-IGZO in which no phosphorus atom is disposed matches the upper end of the valence band, and the conduction band is formed on the band gap. .

図18(B)より、全状態密度において、リン原子を配置し、かつ構造最適化後のa−I
GZOのフェルミレベルは、伝導帯の範囲内に存在していることから、該a−IGZOに
はキャリアが生成しているといえる。さらに、該a−IGZOのバンドギャップ内には、
リン原子の準位も生じていることがわかる。
From FIG. 18 (B), a-I after arranging phosphorus atoms in all density of states and after structure optimization
Since the Fermi level of GZO exists in the range of the conduction band, it can be said that carriers are generated in the a-IGZO. Furthermore, within the band gap of the a-IGZO,
It can be seen that the level of phosphorus atom is also generated.

以上より、酸化物半導体にドーパントが添加されることによって、該酸化物半導体中にキ
ャリアが生成されることが理解できる。
From the above, it can be understood that carriers are generated in the oxide semiconductor by adding the dopant to the oxide semiconductor.

本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態及び実施例に示す構成、方法など
と適宜組み合わせて用いることができる。
The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments and examples.

(実施の形態5)
本実施の形態では、実施の形態1乃至実施の形態3のいずれかに示したトランジスタを用
いた半導体装置の例について説明する。
Fifth Embodiment
In this embodiment, an example of a semiconductor device using the transistor described in any of Embodiments 1 to 3 will be described.

図20(A)に半導体装置を構成する記憶素子(以下、メモリセルとも記す。)の回路図
の一例を示す。メモリセルは、酸化物半導体以外の材料をチャネル形成領域に用いたトラ
ンジスタ1160と酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタ1162によ
って構成される。
FIG. 20A illustrates an example of a circuit diagram of a memory element (hereinafter, also referred to as a memory cell) included in a semiconductor device. The memory cell includes a transistor 1160 using a material other than an oxide semiconductor for a channel formation region and a transistor 1162 using an oxide semiconductor for the channel formation region.

酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタ1162は、先の実施の形態に従
って作製することができる。
The transistor 1162 using an oxide semiconductor for a channel formation region can be manufactured according to the above embodiment.

図20(A)に示すように、トランジスタ1160のゲート電極と、トランジスタ116
2のソース電極またはドレイン電極の一方とは、電気的に接続されている。また、第1の
配線(1st Line:ソース線ともよぶ)とトランジスタ1160のソース電極とは
、電気的に接続され、第2の配線(2nd Line:ビット線ともよぶ)とトランジス
タ1160のドレイン電極とは、電気的に接続されている。そして、第3の配線(3rd
Line:第1信号線ともよぶ)とトランジスタ1162のソース電極またはドレイン
電極の他方とは、電気的に接続され、第4の配線(4th Line:第2信号線ともよ
ぶ)と、トランジスタ1162のゲート電極とは、電気的に接続されている。
As shown in FIG. 20A, the gate electrode of the transistor 1160 and the transistor 116
One of the source electrode and the drain electrode of 2 is electrically connected. The first wiring (also referred to as a source line) and the source electrode of the transistor 1160 are electrically connected to each other, and a second wiring (also referred to as a bit line) and a drain electrode of the transistor 1160 are connected. Are electrically connected. And the third wiring (3rd
Line: Also referred to as a first signal line, and the other of the source electrode and the drain electrode of the transistor 1162 are electrically connected to each other, and a fourth wiring (also referred to as a second signal line) and a gate of the transistor 1162 The electrodes are electrically connected.

酸化物半導体以外の材料、例えば単結晶シリコンをチャネル形成領域に用いたトランジス
タ1160は十分な高速動作が可能なため、トランジスタ1160を用いることにより、
記憶内容の読み出しなどを高速に行うことが可能である。また、酸化物半導体をチャネル
形成領域に用いたトランジスタ1162は、トランジスタ1160に比べてオフ電流が小
さいという特徴を有している。このため、トランジスタ1162をオフ状態とすることで
、トランジスタ1160のゲート電極の電位を極めて長時間にわたって保持することが可
能である。
The transistor 1160 using a material other than an oxide semiconductor, for example, single crystal silicon, in the channel formation region can operate at sufficiently high speed.
It is possible to read stored contents at high speed. In addition, the transistor 1162 in which an oxide semiconductor is used for a channel formation region has a feature that off current is smaller than that of the transistor 1160. Therefore, by turning off the transistor 1162, the potential of the gate electrode of the transistor 1160 can be held for an extremely long time.

トランジスタ1160のゲート電極の電位が保持可能という特徴を生かすことで、次のよ
うに、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
By utilizing the feature that the potential of the gate electrode of the transistor 1160 can be held, writing, holding, and reading of data can be performed as follows.

はじめに、情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第4の配線の電位を、ト
ランジスタ1162がオン状態となる電位として、トランジスタ1162をオン状態とす
る。これにより、第3の配線の電位が、トランジスタ1160のゲート電極に与えられる
(書き込み)。その後、第4の配線の電位を、トランジスタ1162がオフ状態となる電
位として、トランジスタ1162をオフ状態とすることにより、トランジスタ1160の
ゲート電極の電位が保持される(保持)。
First, writing and holding of information will be described. First, the potential of the fourth wiring is set to a potential at which the transistor 1162 is turned on, whereby the transistor 1162 is turned on. Thus, the potential of the third wiring is supplied to the gate electrode of the transistor 1160 (writing). After that, the potential of the gate electrode of the transistor 1160 is held (holding) by setting the potential of the fourth wiring to a potential at which the transistor 1162 is turned off and the transistor 1162 is turned off.

トランジスタ1162のオフ電流はトランジスタ1160に比べて小さいから、トランジ
スタ1160のゲート電極の電位は長時間にわたって保持される。例えば、トランジスタ
1160のゲート電極の電位がトランジスタ1160をオン状態とする電位であれば、ト
ランジスタ1160のオン状態が長時間にわたって保持されることになる。また、トラン
ジスタ1160のゲート電極の電位がトランジスタ1160をオフ状態とする電位であれ
ば、トランジスタ1160のオフ状態が長時間にわたって保持される。
Since the off-state current of the transistor 1162 is smaller than that of the transistor 1160, the potential of the gate electrode of the transistor 1160 is held for a long time. For example, when the potential of the gate electrode of the transistor 1160 is a potential at which the transistor 1160 is turned on, the on state of the transistor 1160 is held for a long time. In addition, when the potential of the gate electrode of the transistor 1160 is a potential at which the transistor 1160 is turned off, the off state of the transistor 1160 is held for a long time.

次に、情報の読み出しについて説明する。上述のように、トランジスタ1160のオン状
態またはオフ状態が保持された状態において、第1の配線に所定の電位(低電位)が与え
られると、トランジスタ1160のオン状態またはオフ状態に応じて、第2の配線の電位
は異なる値をとる。例えば、トランジスタ1160がオン状態の場合には、第1の配線の
電位に対して、第2の配線の電位が低下することになる。また、トランジスタ1160が
オフ状態の場合には、第2の配線の電位は変化しない。
Next, reading of information will be described. As described above, in the state where the on state or the off state of the transistor 1160 is held, when a predetermined potential (a low potential) is applied to the first wiring, the first wiring is selected depending on the on state or the off state of the transistor 1160. The potentials of the two wires have different values. For example, when the transistor 1160 is in the on state, the potential of the second wiring is lower than the potential of the first wiring. In addition, when the transistor 1160 is off, the potential of the second wiring does not change.

このように、情報が保持された状態において、第2の配線の電位と、所定の電位とを比較
することで、情報を読み出すことができる。
As described above, in the state where the information is held, the information can be read out by comparing the potential of the second wiring with a predetermined potential.

次に、情報の書き換えについて説明する。情報の書き換えは、上記情報の書き込みおよび
保持と同様に行われる。つまり、第4の配線の電位を、トランジスタ1162がオン状態
となる電位として、トランジスタ1162をオン状態とする。これにより、第3の配線の
電位(新たな情報に係る電位)が、トランジスタ1160のゲート電極に与えられる。そ
の後、第4の配線の電位を、トランジスタ1162がオフ状態となる電位として、トラン
ジスタ1162をオフ状態とすることにより、新たな情報が保持された状態となる。
Next, rewriting of information will be described. Rewriting of information is performed in the same manner as the writing and holding of the above information. That is, the potential of the fourth wiring is set to a potential at which the transistor 1162 is turned on, whereby the transistor 1162 is turned on. Thus, the potential of the third wiring (potential of new information) is supplied to the gate electrode of the transistor 1160. After that, the potential of the fourth wiring is set to a potential at which the transistor 1162 is turned off, and the transistor 1162 is turned off, whereby new information is held.

このように、開示する発明に係るメモリセルは、再度の情報の書き込みによって直接的に
情報を書き換えることが可能である。このためフラッシュメモリなどにおいて必要とされ
る消去動作が不要であり、消去動作に起因する動作速度の低下を抑制することができる。
つまり、メモリセルを有する半導体装置の高速動作が実現される。
Thus, the memory cell according to the disclosed invention can directly rewrite information by writing information again. Therefore, the erase operation required in the flash memory or the like is not necessary, and it is possible to suppress the decrease in operation speed due to the erase operation.
That is, high speed operation of the semiconductor device having the memory cell is realized.

また、図20(A)のメモリセルを発展させたメモリセルの回路図の一例を図20(B)
に示す。
In addition, an example of a circuit diagram of a memory cell developed from the memory cell of FIG.
Shown in.

図20(B)に示すメモリセル1100は、第1の配線SL(ソース線)と、第2の配線
BL(ビット線)と、第3の配線S1(第1信号線)と、第4の配線S2(第2信号線)
と、第5の配線WL(ワード線)と、トランジスタ1164(第1のトランジスタ)と、
トランジスタ1161(第2のトランジスタ)と、トランジスタ1163(第3のトラン
ジスタ)と、から構成されている。トランジスタ1164およびトランジスタ1163は
、酸化物半導体以外の材料をチャネル形成領域に用いており、トランジスタ1161は酸
化物半導体をチャネル形成領域に用いている。
The memory cell 1100 illustrated in FIG. 20B includes a first wiring SL (source line), a second wiring BL (bit line), a third wiring S1 (first signal line), and a fourth wiring Wiring S2 (second signal line)
, Fifth wiring WL (word line), and transistor 1164 (first transistor),
A transistor 1161 (second transistor) and a transistor 1163 (third transistor) are included. The transistors 1164 and 1163 each use a material other than an oxide semiconductor for a channel formation region, and the transistor 1161 uses an oxide semiconductor for a channel formation region.

ここで、トランジスタ1164のゲート電極と、トランジスタ1161のソース電極また
はドレイン電極の一方とは、電気的に接続されている。また、第1の配線SLと、トラン
ジスタ1164のソース電極とは、電気的に接続され、トランジスタ1164のドレイン
電極と、トランジスタ1163のソース電極とは、電気的に接続されている。そして、第
2の配線BLと、トランジスタ1163のドレイン電極とは、電気的に接続され、第3の
配線S1と、トランジスタ1161のソース電極またはドレイン電極の他方とは、電気的
に接続され、第4の配線S2と、トランジスタ1161のゲート電極とは、電気的に接続
され、第5の配線WLと、トランジスタ1163のゲート電極とは電気的に接続されてい
る。
Here, the gate electrode of the transistor 1164 and one of the source electrode and the drain electrode of the transistor 1161 are electrically connected. The first wiring SL and the source electrode of the transistor 1164 are electrically connected, and the drain electrode of the transistor 1164 and the source electrode of the transistor 1163 are electrically connected. Then, the second wiring BL and the drain electrode of the transistor 1163 are electrically connected, and the third wiring S1 and the other of the source electrode or the drain electrode of the transistor 1161 are electrically connected; The wiring S2 of 4 and the gate electrode of the transistor 1161 are electrically connected, and the fifth wiring WL and the gate electrode of the transistor 1163 are electrically connected.

次に、回路の動作について具体的に説明する。 Next, the operation of the circuit will be specifically described.

メモリセル1100への書込みを行う場合は、第1の配線SLを0V、第5の配線WLを
0V、第2の配線BLを0V、第4の配線S2を2Vとする。データ”1”を書き込む場
合には第3の配線S1を2V、データ”0”を書き込む場合には第3の配線S1を0Vと
する。このとき、トランジスタ1163はオフ状態、トランジスタ1161はオン状態と
なる。なお、書き込み終了にあたっては、第3の配線S1の電位が変化する前に、第4の
配線S2を0Vとして、トランジスタ1161をオフ状態にする。
When writing to the memory cell 1100, the first wiring SL is 0 V, the fifth wiring WL is 0 V, the second wiring BL is 0 V, and the fourth wiring S2 is 2 V. When writing data “1”, the third wiring S1 is 2 V, and when writing data “0”, the third wiring S1 is 0 V. At this time, the transistor 1163 is turned off and the transistor 1161 is turned on. Note that at the end of writing, the fourth wiring S2 is set to 0 V to turn off the transistor 1161 before the potential of the third wiring S1 changes.

その結果、データ”1”書込み後にはトランジスタ1164のゲート電極に接続されるノ
ード(以下、ノードA)の電位が約2V、データ”0”書込み後にはノードAの電位が約
0Vとなる。ノードAには、第3の配線S1の電位に応じた電荷が蓄積されるが、トラン
ジスタ1161のオフ電流は、単結晶シリコンをチャネル形成領域に用いたトランジスタ
と比べて小さく、トランジスタ1164のゲート電極の電位は長時間にわたって保持され
る。
As a result, after writing data "1", the potential of a node (hereinafter, node A) connected to the gate electrode of the transistor 1164 becomes about 2 V, and after writing data "0", the potential of the node A becomes about 0 V. Although charge corresponding to the potential of the third wiring S1 is stored in the node A, the off-state current of the transistor 1161 is smaller than that of a transistor in which single crystal silicon is used for a channel formation region and the gate electrode of the transistor 1164 The potential of is maintained for a long time.

次に、メモリセルの読み出しを行う場合は、第1の配線SLを0V、第5の配線WLを2
V、第4の配線S2を0V、第3の配線S1を0Vとし、第2の配線BLに接続されてい
る読出し回路を動作状態とする。このとき、トランジスタ1163はオン状態、トランジ
スタ1161はオフ状態となる。
Next, in the case of reading a memory cell, the first wiring SL is at 0 V and the fifth wiring WL is at 2
V, the fourth wiring S2 is 0 V, the third wiring S1 is 0 V, and the reading circuit connected to the second wiring BL is in an operation state. At this time, the transistor 1163 is on and the transistor 1161 is off.

データ”0”、つまりノードAが約0Vの状態であればトランジスタ1164はオフ状態
であるから、第2の配線BLと第1の配線SL間の抵抗は高い状態となる。一方、データ
”1”、つまりノードAが約2Vの状態であればトランジスタ1164がオン状態である
から、第2の配線BLと第1の配線SL間の抵抗は低い状態となる。読出し回路は、メモ
リセルの抵抗状態の違いから、データ”0”,”1”を読み出すことができる。なお、書
込み時の第2の配線BLは0Vとしたが、フローティング状態や0V以上の電位に充電さ
れていても構わない。読み出し時の第3の配線S1は0Vとしたが、フローティング状態
や0V以上の電位に充電されていても構わない。
If the data “0”, that is, the node A is at about 0 V, the transistor 1164 is in the off state, and the resistance between the second wiring BL and the first wiring SL is in a high state. On the other hand, when the data “1”, that is, the node A is in the state of about 2 V, the transistor 1164 is in the on state, so that the resistance between the second wiring BL and the first wiring SL is low. The reading circuit can read data "0" and "1" from the difference in resistance state of the memory cell. Although the second wiring BL at the time of writing is 0 V, it may be charged in a floating state or a potential of 0 V or more. Although the third wiring S1 at the time of reading is set to 0 V, it may be charged to a floating state or a potential of 0 V or more.

なお、データ”1”とデータ”0”は便宜上の定義であって、逆であっても構わない。ま
た、上述した動作電圧は一例である。動作電圧は、データ”0”の場合にトランジスタ1
164がオフ状態となり、データ”1”の場合にトランジスタ1164がオン状態となる
ように、また、書込み時にトランジスタ1161がオン状態、書込み時以外ではオフ状態
となるように、また、読み出し時にトランジスタ1163がオン状態となるように選べば
よい。特に2Vの代わりに、周辺の論理回路の電源電位VDDを用いてもよい。
Data “1” and data “0” are definitions for convenience and may be reversed. Moreover, the operating voltage mentioned above is an example. The operating voltage is transistor 1 in the case of data "0".
164 is turned off, and the transistor 1164 is turned on in the case of data “1”, and the transistor 1161 is turned on at the time of writing, and turned off at times other than the time of writing. Should be selected to be on. In particular, power supply potential VDD of the peripheral logic circuit may be used instead of 2V.

本実施の形態では理解の簡単のため、最小記憶単位(1ビット)のメモリセルについて説
明したが、メモリセルの構成はこれに限られるものではない。複数のメモリセルを適当に
接続して、より高度な半導体装置を構成することもできる。例えば、上記メモリセルを複
数用いて、NAND型やNOR型の半導体装置を構成することが可能である。配線の構成
も図20(A)や図20(B)に限定されず、適宜変更することができる。
In the present embodiment, the memory cell of the minimum storage unit (1 bit) is described for simplicity of understanding, but the configuration of the memory cell is not limited to this. A plurality of memory cells can be appropriately connected to construct a more advanced semiconductor device. For example, it is possible to configure a NAND type or NOR type semiconductor device by using a plurality of the memory cells. The configuration of the wiring is not limited to that in FIGS. 20A and 20B, and can be changed as appropriate.

図21に、m×nビットの記憶容量を有する本発明の一態様に係る半導体装置のブロック
回路図を示す。
FIG. 21 illustrates a block circuit diagram of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention, which has a storage capacity of m × n bits.

図21に示す半導体装置は、m本の第5の配線WL(1)〜WL(m)およびm本の第4
の配線S2(1)〜S2(m)と、n本の第2の配線BL(1)〜BL(n)およびn本
の第3の配線S1(1)〜S1(n)と、複数のメモリセル1100(1、1)〜110
0(m、n)が縦m個(行)×横n個(列)(m、nは自然数)のマトリクス状に配置さ
れたメモリセルアレイ1110とを有する。また、第2の配線BLおよび第3の配線S1
と接続する駆動回路1111や、第4の配線S2および第5の配線WLと接続する駆動回
路1113や、読出し回路1112といった周辺回路を有する。他の周辺回路として、リ
フレッシュ回路等が設けられてもよい。
The semiconductor device illustrated in FIG. 21 includes m fifth wirings WL (1) to WL (m) and m fourth wirings.
Wirings S2 (1) to S2 (m), n second wirings BL (1) to BL (n), n third wirings S1 (1) to S1 (n), and a plurality of Memory cells 1100 (1, 1) to 110
A memory cell array 1110 is arranged in a matrix of 0 (m, n) with m (rows) × n (columns) (m, n are natural numbers) in the vertical direction. In addition, the second wiring BL and the third wiring S1
And a driver circuit 1113 connected to the fourth wiring S2 and the fifth wiring WL, and a peripheral circuit such as a reading circuit 1112. A refresh circuit or the like may be provided as another peripheral circuit.

各メモリセルの代表として、メモリセル1100(i、j)を考える。ここで、メモリセ
ル1100(i、j)(iは1以上m以下の整数、jは1以上n以下の整数)は、第2の
配線BL(j)、第3の配線S1(j)、第5の配線WL(i)および第4の配線S2(
i)、および第1の配線にそれぞれ接続されている。第1の配線には第1の配線電位Vs
が与えられている。また、第2の配線BL(1)〜BL(n)および第3の配線S1(1
)〜S1(n)は駆動回路1111および読出し回路1112に、第5の配線WL(1)
〜WL(m)および第4の配線S2(1)〜S2(m)は駆動回路1113にそれぞれ接
続されている。
Memory cell 1100 (i, j) is considered as a representative of each memory cell. Here, the memory cell 1100 (i, j) (i is an integer of 1 or more and m or less, j is an integer of 1 or more and n or less) is a second wiring BL (j) and a third wiring S1 (j), Fifth wiring WL (i) and fourth wiring S2 (
i) and are connected to the first wiring respectively. The first wiring potential Vs is applied to the first wiring
Is given. In addition, second wires BL (1) to BL (n) and a third wire S1 (1
) To S1 (n) are connected to the driver circuit 1111 and the readout circuit 1112 using the fifth wiring WL (1).
The WL <b> 1 to WL (m) and the fourth wirings S <b> 2 (1) to S <b> 2 (m) are respectively connected to the drive circuit 1113.

図21に示した半導体装置の動作について説明する。本構成では、行ごとの書込みおよび
読出しを行う。
The operation of the semiconductor device shown in FIG. 21 will be described. In this configuration, writing and reading are performed row by row.

第i行のメモリセル1100(i、1)〜1100(i、n)に書込みを行う場合は、第
1の配線電位Vsを0V、第5の配線WL(i)を0V、第2の配線BL(1)〜BL(
n)を0V、第4の配線S2(i)を2Vとする。このときトランジスタ1161は、オ
ン状態となる。第3の配線S1(1)〜S1(n)は、データ”1”を書き込む列は2V
、データ”0”を書き込む列は0Vとする。なお、書き込み終了にあたっては、第3の配
線S1(1)〜S1(n)の電位が変化する前に、第4の配線S2(i)を0Vとして、
トランジスタ1161をオフ状態にする。また、非選択の第5の配線WLは0V、非選択
の第4の配線S2は0Vとする。
When the memory cell 1100 (i, 1) to 1100 (i, n) in the i-th row is to be programmed, the first wiring potential Vs is 0 V, the fifth wiring WL (i) is 0 V, and the second wiring BL (1) to BL (
n) is 0V, and the fourth wiring S2 (i) is 2V. At this time, the transistor 1161 is turned on. The third wires S1 (1) to S1 (n) have 2 V in the column for writing data "1".
The column for writing data "0" is 0V. At the end of writing, before the potentials of the third wirings S1 (1) to S1 (n) change, the fourth wiring S2 (i) is set to 0V.
The transistor 1161 is turned off. Further, the non-selected fifth wiring WL is at 0 V, and the non-selected fourth wiring S2 is at 0 V.

その結果、データ”1”の書込みを行ったメモリセルのトランジスタ1164のゲート電
極に接続されるノード(以下、ノードA)の電位は約2V、データ”0”の書込みを行っ
たメモリセルのノードAの電位は約0Vとなる(図20(B)及び図21参照)。また、
非選択メモリセルのノードAの電位は変わらない。
As a result, the potential of a node (hereinafter, node A) connected to the gate electrode of transistor 1164 of the memory cell in which data "1" is written is approximately 2 V, and the node of the memory cell in which data "0" is written The potential of A becomes about 0 V (see FIG. 20 (B) and FIG. 21). Also,
The potential of node A of the non-selected memory cell does not change.

第i行のメモリセル1100(i、1)〜1100(i、n)の読み出しを行う場合は、
第1の配線電位Vsを0V、第5の配線WL(i)を2V、第4の配線S2(i)を0V
、第3の配線S1(1)〜S1(n)を0Vとし、第2の配線BL(1)〜BL(n)に
接続されている読出し回路を動作状態とする。読出し回路では、例えば、メモリセルの抵
抗状態の違いから、データ”0”,”1”を読み出すことができる。なお、非選択の第5
の配線WLは0V、非選択の第4の配線S2は0Vとする。なお、書込み時の第2の配線
BLは0Vとしたが、フローティング状態や0V以上の電位に充電されていても構わない
。読出し時の第3の配線S1は0Vとしたが、フローティング状態や0V以上の電位に充
電されていても構わない。
When reading the memory cell 1100 (i, 1) to 1 100 (i, n) of the i-th row,
The first wiring potential Vs is 0 V, the fifth wiring WL (i) is 2 V, and the fourth wiring S2 (i) is 0 V
The third wirings S1 (1) to S1 (n) are set to 0 V, and the readout circuit connected to the second wirings BL (1) to BL (n) is brought into an operating state. In the read circuit, for example, data “0” and “1” can be read from the difference in resistance state of the memory cell. In addition, the fifth not selected
The line WL is at 0V, and the non-selected fourth line S2 is at 0V. Although the second wiring BL at the time of writing is 0 V, it may be charged in a floating state or a potential of 0 V or more. Although the third wiring S1 at the time of reading is set to 0 V, it may be charged to a floating state or a potential of 0 V or more.

なお、データ”1”とデータ”0”は便宜上の定義であって、逆であっても構わない。ま
た、上述した動作電圧は一例である。動作電圧は、データ”0”の場合にトランジスタ1
164がオフ状態となり、データ”1”の場合にトランジスタ1164がオン状態となる
ように、また、書込み時にトランジスタ1161がオン状態、書込み時以外ではオフ状態
となるように、また、読み出し時にトランジスタ1163がオン状態となるように選べば
よい。特に2Vの代わりに、周辺の論理回路の電源電位VDDを用いてもよい。
Data “1” and data “0” are definitions for convenience and may be reversed. Moreover, the operating voltage mentioned above is an example. The operating voltage is transistor 1 in the case of data "0".
164 is turned off, and the transistor 1164 is turned on in the case of data “1”, and the transistor 1161 is turned on at the time of writing, and turned off at times other than the time of writing. Should be selected to be on. In particular, power supply potential VDD of the peripheral logic circuit may be used instead of 2V.

本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態及び実施例に示す構成、方法など
と適宜組み合わせて用いることができる。
The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments and examples.

(実施の形態6)
本実施の形態では、容量素子を有するメモリセルの回路図の一例を示す。図22(A)に
示すメモリセル1170は、第1の配線SL、第2の配線BL、第3の配線S1、第4の
配線S2と、第5の配線WLと、トランジスタ1171(第1のトランジスタ)と、トラ
ンジスタ1172(第2のトランジスタ)と、容量素子1173とから構成されている。
トランジスタ1171は、酸化物半導体以外の材料をチャネル形成領域に用いており、ト
ランジスタ1172はチャネル形成領域に酸化物半導体を用いている。
Sixth Embodiment
In this embodiment, an example of a circuit diagram of a memory cell having a capacitor is shown. A memory cell 1170 illustrated in FIG. 22A includes a first wiring SL, a second wiring BL, a third wiring S1, a fourth wiring S2, a fifth wiring WL, and a transistor 1171 (a first wiring And the transistor 1172 (second transistor), and the capacitor element 1173.
The transistor 1171 uses a material other than an oxide semiconductor for the channel formation region, and the transistor 1172 uses an oxide semiconductor for the channel formation region.

ここで、トランジスタ1171のゲート電極と、トランジスタ1172のソース電極また
はドレイン電極の一方と、容量素子1173の一方の電極とは、電気的に接続されている
。また、第1の配線SLと、トランジスタ1171のソース電極とは、電気的に接続され
、第2の配線BLと、トランジスタ1171のドレイン電極とは、電気的に接続され、第
3の配線S1と、トランジスタ1172のソース電極またはドレイン電極の他方とは、電
気的に接続され、第4の配線S2と、トランジスタ1172のゲート電極とは、電気的に
接続され、第5の配線WLと、容量素子1173の他方の電極とは、電気的に接続されて
いる。
Here, the gate electrode of the transistor 1171, one of the source electrode or the drain electrode of the transistor 1172, and one electrode of the capacitor 1173 are electrically connected. In addition, the first wiring SL and the source electrode of the transistor 1171 are electrically connected, and the second wiring BL and the drain electrode of the transistor 1171 are electrically connected, and the third wiring S1 and the third wiring S1. The other of the source electrode and the drain electrode of the transistor 1172 is electrically connected, the fourth wiring S2 and the gate electrode of the transistor 1172 are electrically connected, a fifth wiring WL, and a capacitor The other electrode of 1173 is electrically connected.

次に、回路の動作について具体的に説明する。 Next, the operation of the circuit will be specifically described.

メモリセル1170への書込みを行う場合は、第1の配線SLを0V、第5の配線WLを
0V、第2の配線BLを0V、第4の配線S2を2Vとする。データ”1”を書き込む場
合には第3の配線S1を2V、データ”0”を書き込む場合には第3の配線S1を0Vと
する。このとき、トランジスタ1172はオン状態となる。なお、書き込み終了にあたっ
ては、第3の配線S1の電位が変化する前に、第4の配線WLを0Vとして、トランジス
タ1172をオフ状態にする。
When writing to the memory cell 1170, the first wiring SL is 0 V, the fifth wiring WL is 0 V, the second wiring BL is 0 V, and the fourth wiring S2 is 2 V. When writing data “1”, the third wiring S1 is 2 V, and when writing data “0”, the third wiring S1 is 0 V. At this time, the transistor 1172 is turned on. Note that at the end of the writing, the fourth wiring WL is set to 0 V to turn off the transistor 1172 before the potential of the third wiring S1 changes.

その結果、データ”1”の書込み後にはトランジスタ1171のゲート電極に接続される
ノード(以下、ノードA)の電位が約2V、データ”0”の書込み後にはノードAの電位
が約0Vとなる。
As a result, the potential of a node (hereinafter, node A) connected to the gate electrode of the transistor 1171 after writing data "1" is about 2 V, and the potential of node A becomes about 0 V after writing data "0". .

メモリセル1170の読み出しを行う場合は、第1の配線SLを0V、第5の配線WLを
2V、第4の配線S2を0V、第3の配線S1を0Vとし、第2の配線BLに接続されて
いる読出し回路を動作状態とする。このとき、トランジスタ1172は、オフ状態となる
When the memory cell 1170 is read, the first wiring SL is set to 0 V, the fifth wiring WL is set to 2 V, the fourth wiring S2 is set to 0 V, the third wiring S1 is set to 0 V, and the second wiring BL is connected. The read circuit in operation is put into operation. At this time, the transistor 1172 is turned off.

第5の配線WLを2Vとした場合のトランジスタ1171の状態について説明する。トラ
ンジスタ1171の状態を決めるノードAの電位は、第5の配線WL−ノードA間の容量
C1と、トランジスタ1171のゲート電極−ソース電極とドレイン電極間の容量C2に
依存する。
The state of the transistor 1171 in the case where the fifth wiring WL is 2 V will be described. The potential of the node A that determines the state of the transistor 1171 depends on the capacitance C1 between the fifth wiring WL and the node A and the capacitance C2 between the gate electrode and the source electrode of the transistor 1171 and the drain electrode.

なお、読出し時の第3の配線S1は0Vとしたが、フローティング状態や0V以上の電位
に充電されていても構わない。データ”1”とデータ”0”は便宜上の定義であって、逆
であっても構わない。
Although the third wiring S1 at the time of reading is set to 0 V, it may be charged to a floating state or a potential of 0 V or more. Data "1" and data "0" are definitions for convenience, and may be reversed.

書き込み時の第3の配線S1の電位は、書込み後にトランジスタ1172がオフ状態とな
り、また、第5の配線WL電位が0Vの場合にトランジスタ1171がオフ状態である範
囲で、データ”0”、”1”の電位をそれぞれ選べばよい。読出し時の第5の配線WL電
位は、データ”0”の場合にトランジスタ1171がオフ状態となり、データ”1”の場
合にトランジスタ1171がオン状態となるように選べばよい。また、トランジスタ11
71のしきい値電圧も、一例である。上述したトランジスタ1171の状態を変えない範
囲であれば、どのようなしきい値でも構わない。
When the potential of the third wiring S1 at the time of writing is such that the transistor 1172 is turned off after writing and the potential of the fifth wiring WL is 0 V, the data “0”, It is sufficient to select the potential of 1 ′ ′. The potential of the fifth wiring WL at the time of reading may be selected so that the transistor 1171 is turned off in the case of data “0” and the transistor 1171 is turned on in the case of data “1”. Also, the transistor 11
The threshold voltage 71 is also an example. Any threshold may be used as long as the state of the transistor 1171 described above is not changed.

また、第1のゲート電極、および第2のゲート電極を有する選択トランジスタと、容量素
子を有するメモリセルを用いるNOR型の半導体記憶装置の例について図22(B)を用
いて説明する。
In addition, an example of a NOR-type semiconductor memory device using a memory cell including a selection transistor having a first gate electrode and a second gate electrode and a memory cell having a capacitor is described with reference to FIG.

図22(B)に示す本発明の一態様に係る半導体装置は、I行(Iは2以上の自然数)J
列(Jは自然数)にマトリクス状に配列された複数のメモリセルを備えたメモリセルアレ
イを具備する。
The semiconductor device according to one embodiment of the present invention illustrated in FIG. 22B includes I rows (I is a natural number of 2 or more) J
A memory cell array comprising a plurality of memory cells arranged in a matrix in a column (J is a natural number) is provided.

図22(B)に示すメモリセルアレイは、i行(iは3以上の自然数)j列(jは3以上
の自然数)にマトリクス状に配列された複数のメモリセル1180と、i本のワード線W
L(ワード線WL_1乃至ワード線WL_i)と、i本の容量線CL(容量線CL_1乃
至容量線CL_i)と、i本のゲート線BGL(ゲート線BGL_1乃至ゲート線BGL
_i)と、j本のビット線BL(ビット線BL_1乃至ビット線BL_j)と、ソース線
SLと、を具備する。
In the memory cell array shown in FIG. 22B, a plurality of memory cells 1180 arranged in a matrix of i rows (i is a natural number of 3 or more) and j columns (j is a natural number of 3 or more) and i word lines W
L (word line WL_1 to word line WL_i), i capacitive line CL (capacitive line CL_1 to capacitive line CL_i), i gate line BGL (gate line BGL_1 to gate line BGL
_I), j bit lines BL (bit lines BL_1 to bit lines BL_j), and a source line SL.

さらに、複数のメモリセル1180のそれぞれ(メモリセル1180(M,N)(ただし
、Nは1以上j以下の自然数、Mは1以上i以下の自然数)ともいう)は、トランジスタ
1181(M,N)と、容量素子1183(M,N)と、トランジスタ1182(M,N
)と、を備える。
Further, each of the plurality of memory cells 1180 (also referred to as a memory cell 1180 (M, N) (where N is a natural number of 1 or more and j or less and M is a natural number of 1 or more and i or less)) is a transistor 1181 (M, N ), A capacitive element 1183 (M, N), and a transistor 1182 (M, N).
And.

なお、半導体記憶装置において、容量素子は、第1の容量電極、第2の容量電極、並びに
第1の容量電極および第2の容量電極に重畳する誘電体層により構成される。容量素子は
、第1の容量電極および第2の容量電極の間に印加される電圧に応じて電荷が蓄積される
Note that in the semiconductor memory device, the capacitor element is formed of a first capacitor electrode, a second capacitor electrode, and a dielectric layer overlapping with the first capacitor electrode and the second capacitor electrode. The capacitive element stores charge in response to a voltage applied between the first capacitive electrode and the second capacitive electrode.

トランジスタ1181(M,N)は、Nチャネル型トランジスタであり、ソース電極、ド
レイン電極、第1のゲート電極、および第2のゲート電極を有する。なお、本実施の形態
の半導体記憶装置において、必ずしもトランジスタ1181をNチャネル型トランジスタ
にしなくてもよい。
The transistor 1181 (M, N) is an n-channel transistor and includes a source electrode, a drain electrode, a first gate electrode, and a second gate electrode. Note that in the semiconductor memory device of this embodiment, the transistor 1181 may not necessarily be an n-channel transistor.

トランジスタ1181(M,N)のソース電極およびドレイン電極の一方は、ビット線B
L_Nに接続され、トランジスタ1181(M,N)の第1のゲート電極は、ワード線W
L_Mに接続され、トランジスタ1181(M,N)の第2のゲート電極は、ゲート線B
GL_Mに接続される。トランジスタ1181(M,N)のソース電極およびドレイン電
極の一方がビット線BL_Nに接続される構成にすることにより、メモリセル毎に選択的
にデータを読み出すことができる。
One of the source electrode and the drain electrode of transistor 1181 (M, N) is connected to bit line B.
The first gate electrode of the transistor 1181 (M, N) is connected to the word line W
The second gate electrode of the transistor 1181 (M, N) is connected to the gate line B
Connected to GL_M. When one of the source electrode and the drain electrode of the transistor 1181 (M, N) is connected to the bit line BL_N, data can be selectively read for each memory cell.

トランジスタ1181(M,N)は、メモリセル1180(M,N)において選択トラン
ジスタとしての機能を有する。
The transistor 1181 (M, N) functions as a selection transistor in the memory cell 1180 (M, N).

トランジスタ1181(M,N)としては、酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたト
ランジスタを用いることができる。
As the transistor 1181 (M, N), a transistor in which an oxide semiconductor is used for a channel formation region can be used.

トランジスタ1182(M,N)は、Pチャネル型トランジスタである。なお、本実施の
形態の半導体記憶装置において、必ずしもトランジスタ1182をPチャネル型トランジ
スタにしなくてもよい。
The transistor 1182 (M, N) is a P-channel transistor. Note that in the semiconductor memory device of this embodiment, the transistor 1182 may not necessarily be a p-channel transistor.

トランジスタ1182(M,N)のソース電極およびドレイン電極の一方は、ソース線S
Lに接続され、トランジスタ1182(M,N)のソース電極およびドレイン電極の他方
は、ビット線BL_Nに接続され、トランジスタ1182(M,N)のゲート電極は、ト
ランジスタ1181(M,N)のソース電極およびドレイン電極の他方に接続される。
One of the source and drain electrodes of the transistor 1182 (M, N) has a source line S
L, the other of the source and drain electrodes of the transistor 1182 (M, N) is connected to the bit line BL_N, and the gate electrode of the transistor 1182 (M, N) is the source of the transistor 1181 (M, N) It is connected to the other of the electrode and the drain electrode.

トランジスタ1182(M,N)は、メモリセル1180(M,N)において、出力トラ
ンジスタとしての機能を有する。トランジスタ1182(M,N)としては、例えば単結
晶シリコンをチャネル形成領域に用いるトランジスタを用いることができる。
The transistor 1182 (M, N) functions as an output transistor in the memory cell 1180 (M, N). As the transistor 1182 (M, N), for example, a transistor in which single crystal silicon is used for a channel formation region can be used.

容量素子1183(M,N)の第1の容量電極は、容量線CL_Mに接続され、容量素子
1183(M,N)の第2の容量電極は、トランジスタ1181(M,N)のソース電極
およびドレイン電極の他方に接続される。なお、容量素子1183(M,N)は、保持容
量としての機能を有する。
The first capacitance electrode of the capacitance element 1183 (M, N) is connected to the capacitance line CL_M, and the second capacitance electrode of the capacitance element 1183 (M, N) is the source electrode of the transistor 1181 (M, N) It is connected to the other of the drain electrodes. Note that the capacitor element 1183 (M, N) has a function as a storage capacitor.

ワード線WL_1乃至ワード線WL_iのそれぞれの電圧は、例えばデコーダを用いた駆
動回路により制御される。
The voltage of each of the word line WL_1 to the word line WL_i is controlled by a drive circuit using a decoder, for example.

ビット線BL_1乃至ビット線BL_jのそれぞれの電圧は、例えばデコーダを用いた駆
動回路により制御される。
The voltage of each of the bit lines BL_1 to BL_j is controlled by a driver circuit using, for example, a decoder.

容量線CL_1乃至容量線CL_iのそれぞれの電圧は、例えばデコーダを用いた駆動回
路により制御される。
The voltage of each of the capacitor lines CL_1 to CL_i is controlled by, for example, a driver circuit using a decoder.

ゲート線BGL_1乃至ゲート線BGL_iのそれぞれの電圧は、例えばゲート線駆動回
路を用いて制御される。
The voltage of each of the gate lines BGL_1 to BGL_i is controlled using, for example, a gate line driving circuit.

ゲート線駆動回路は、例えばダイオードおよび第1の容量電極がダイオードのアノードお
よびゲート線BGLに電気的に接続される容量素子を備える回路により構成される。
The gate line drive circuit is formed of, for example, a circuit including a diode and a capacitive element in which the first capacitive electrode is electrically connected to the anode of the diode and the gate line BGL.

トランジスタ1181の第2のゲート電極の電圧を調整することにより、トランジスタ1
181のしきい値電圧を調整することができる。従って、選択トランジスタとして機能す
るトランジスタ1181のしきい値電圧を調整し、オフ状態におけるトランジスタ118
1のソース電極およびドレイン電極の間に流れる電流を極力小さくすることができる。よ
って、記憶回路におけるデータの保持期間を長くすることができる。また、データの書き
込みおよび読み出しに必要な電圧を従来の半導体装置より低くすることができるため、消
費電力を低減することができる。
By adjusting the voltage of the second gate electrode of the transistor 1181, the transistor 1
The threshold voltage of 181 can be adjusted. Therefore, the threshold voltage of the transistor 1181 functioning as a selection transistor is adjusted, and the transistor 118 in the off state is adjusted.
The current flowing between the source electrode and the drain electrode can be minimized. Thus, the data retention period in the memory circuit can be extended. In addition, power consumption can be reduced because voltages required for writing and reading data can be made lower than those of conventional semiconductor devices.

本実施の形態によって、酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタに接続す
るノードの電位を極めて長時間にわたって保持することが可能であるため、小さい消費電
力にて、情報の書き込み、保持、読み出しが可能なメモリセルを作製することができる。
なお、図22(B)に示すメモリセルアレイにおいて、メモリセル1180の代わりに、
図22(A)に示すメモリセル1170を用いることができる。なお、この際、メモリセ
ル1170に合わせて、適宜配線を設ける。
According to this embodiment, the potential of a node connected to a transistor in which an oxide semiconductor is used for a channel formation region can be held for an extremely long time, data writing, holding, and reading can be performed with low power consumption. Can be manufactured.
In the memory cell array shown in FIG. 22B, instead of memory cell 1180,
The memory cell 1170 shown in FIG. 22A can be used. Note that at this time, wirings are provided as appropriate in accordance with the memory cell 1170.

本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態及び実施例に示す構成、方法など
と適宜組み合わせて用いることができる。
The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments and examples.

(実施の形態7)
本実施の形態では、先の実施の形態に示すトランジスタを用いた半導体装置の例について
、図23を参照して説明する。
Seventh Embodiment
In this embodiment, an example of a semiconductor device using the transistor described in the above embodiment will be described with reference to FIGS.

図23(A)には、いわゆるDRAM(Dynamic Random Access
Memory)に相当する構成の半導体装置の一例を示す。図23(A)に示すメモリセ
ルアレイ1120は、複数のメモリセル1130がマトリクス状に配列された構成を有し
ている。また、メモリセルアレイ1120は、m本の第1の配線、およびn本の第2の配
線を有する。なお、本実施の形態においては、第1の配線をビット線BLとよび、第2の
配線をワード線WLとよぶ。
In FIG. 23A, so-called DRAM (Dynamic Random Access) is shown.
An example of a semiconductor device having a configuration corresponding to that of A memory cell array 1120 shown in FIG. 23A has a configuration in which a plurality of memory cells 1130 are arranged in a matrix. The memory cell array 1120 also has m first wires and n second wires. In the present embodiment, the first wiring is referred to as a bit line BL, and the second wiring is referred to as a word line WL.

メモリセル1130は、トランジスタ1131と、容量素子1132と、から構成されて
いる。トランジスタ1131のゲート電極は、第1の配線(ワード線WL)と接続されて
いる。また、トランジスタ1131のソース電極またはドレイン電極の一方は、第2の配
線(ビット線BL)と接続されており、トランジスタ1131のソース電極またはドレイ
ン電極の他方は、容量素子の電極の一方と接続されている。また、容量素子の電極の他方
は容量線CLと接続され、一定の電位が与えられている。トランジスタ1131には、先
の実施の形態に示すトランジスタが適用される。
The memory cell 1130 includes a transistor 1131 and a capacitor 1132. The gate electrode of the transistor 1131 is connected to the first wiring (word line WL). Further, one of the source electrode or the drain electrode of the transistor 1131 is connected to the second wiring (bit line BL), and the other of the source electrode or the drain electrode of the transistor 1131 is connected to one of the electrodes of the capacitor ing. In addition, the other of the electrodes of the capacitive element is connected to the capacitive line CL, and a constant potential is applied. The transistor described in the above embodiment is applied to the transistor 1131.

先の実施の形態において示した酸化物半導体をチャネル形成領域に用いるトランジスタは
、単結晶シリコンをチャネル形成領域に用いたトランジスタに比べてオフ電流が小さいと
いう特徴を有する。このため、いわゆるDRAMとして認識されている図23(A)に示
す半導体装置に当該トランジスタを適用する場合、実質的な不揮発性メモリを得ることが
可能である。
The transistor using an oxide semiconductor described in the above embodiment for the channel formation region has a feature that off current is smaller than a transistor using single crystal silicon for the channel formation region. Therefore, when the transistor is applied to the semiconductor device illustrated in FIG. 23A, which is recognized as a so-called DRAM, a substantially nonvolatile memory can be obtained.

図23(B)には、いわゆるSRAM(Static Random Access M
emory)に相当する構成の半導体装置の一例を示す。図23(B)に示すメモリセル
アレイ1140は、複数のメモリセル1150がマトリクス状に配列された構成とするこ
とができる。また、メモリセルアレイ1140は、第1の配線BL、第2の配線BLB(
反転ビット線)および第3の配線WL、電源線Vdd、及び接地電位線Vssを有する。
In FIG. 23B, so-called SRAM (Static Random Access M) is shown.
1 shows an example of a semiconductor device having a configuration corresponding to "emory". The memory cell array 1140 shown in FIG. 23B can have a structure in which a plurality of memory cells 1150 are arranged in a matrix. In addition, the memory cell array 1140 includes the first wiring BL, the second wiring BLB
And a third wiring WL, a power supply line Vdd, and a ground potential line Vss.

メモリセル1150は、第1のトランジスタ1151、第2のトランジスタ1152、第
3のトランジスタ1153、第4のトランジスタ1154、第5のトランジスタ1155
、および第6のトランジスタ1156を有している。第1のトランジスタ1151と第2
のトランジスタ1152は、選択トランジスタとして機能する。また、第3のトランジス
タ1153と第4のトランジスタ1154のうち、一方はnチャネル型トランジスタ(こ
こでは、第4のトランジスタ1154)であり、他方はpチャネル型トランジスタ(ここ
では、第3のトランジスタ1153)である。つまり、第3のトランジスタ1153と第
4のトランジスタ1154によってCMOS回路が構成されている。同様に、第5のトラ
ンジスタ1155と第6のトランジスタ1156によってCMOS回路が構成されている
The memory cell 1150 includes a first transistor 1151, a second transistor 1152, a third transistor 1153, a fourth transistor 1154, and a fifth transistor 1155.
, And a sixth transistor 1156. First transistor 1151 and second
The transistor 1152 functions as a selection transistor. In addition, one of the third transistor 1153 and the fourth transistor 1154 is an n-channel transistor (here, the fourth transistor 1154), and the other is a p-channel transistor (here, the third transistor 1153). ). That is, a CMOS circuit is formed by the third transistor 1153 and the fourth transistor 1154. Similarly, a fifth circuit 1155 and a sixth transistor 1156 form a CMOS circuit.

第1のトランジスタ1151、第2のトランジスタ1152、第4のトランジスタ115
4、第6のトランジスタ1156は、nチャネル型のトランジスタであり、先の実施の形
態において示したトランジスタを適用することができる。第3のトランジスタ1153と
第5のトランジスタ1155は、pチャネル型のトランジスタであり、酸化物半導体以外
の材料(例えば、単結晶シリコンなど)をチャネル形成領域に用いる。
First transistor 1151, second transistor 1152, fourth transistor 115
The fourth and sixth transistors 1156 are n-channel transistors, to which the transistors described in the above embodiments can be applied. The third transistor 1153 and the fifth transistor 1155 are p-channel transistors, and a material other than an oxide semiconductor (eg, single crystal silicon or the like) is used for a channel formation region.

本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態及び実施例に示す構成、方法など
と適宜組み合わせて用いることができる。
The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments and examples.

(実施の形態8)
酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタを少なくとも一部に用いてCPU
(Central Processing Unit)を構成することができる。
Eighth Embodiment
A CPU using at least part of a transistor including an oxide semiconductor in a channel formation region
(Central Processing Unit) can be configured.

図24(A)は、CPUの具体的な構成を示すブロック図である。図24(A)に示すC
PUは、基板1190上に、演算回路(ALU:Arithmetic logic u
nit)1191、ALUコントローラ1192、インストラクションデコーダ1193
、インタラプトコントローラ1194、タイミングコントローラ1195、レジスタ11
96、レジスタコントローラ1197、バスインターフェース(Bus I/F)119
8、書き換え可能なROM1199、およびROMインターフェース(ROM I/F)
1189を有している。基板1190は、半導体基板、SOI基板、ガラス基板などを用
いる。ROM1199およびROM I/F1189は、別チップに設けても良い。勿論
、図24(A)に示すCPUは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際のCP
Uはその用途によって多種多様な構成を有している。
FIG. 24A is a block diagram showing a specific configuration of the CPU. C shown in FIG.
The PU is an arithmetic circuit (ALU: Arithmetic logic u) on a substrate 1190.
nit) 1191, ALU controller 1192, instruction decoder 1193
, Interrupt controller 1194, timing controller 1195, register 11
96, register controller 1197, bus interface (Bus I / F) 119
8. Rewritable ROM 1199 and ROM interface (ROM I / F)
It has 1189. As the substrate 1190, a semiconductor substrate, an SOI substrate, a glass substrate, or the like is used. The ROM 1199 and the ROM I / F 1189 may be provided on different chips. Of course, the CPU shown in FIG. 24A is merely an example in which the configuration is simplified, and the actual CP
U has a wide variety of configurations depending on its application.

Bus I/F1198を介してCPUに入力された命令は、インストラクションデコー
ダ1193に入力され、デコードされた後、ALUコントローラ1192、インタラプト
コントローラ1194、レジスタコントローラ1197、タイミングコントローラ119
5に入力される。
An instruction input to the CPU via the Bus I / F 1198 is input to the instruction decoder 1193 and decoded, and then the ALU controller 1192, the interrupt controller 1194, the register controller 1197, and the timing controller 119.
It is input to 5.

ALUコントローラ1192、インタラプトコントローラ1194、レジスタコントロー
ラ1197、タイミングコントローラ1195は、デコードされた命令に基づき、各種制
御を行なう。具体的にALUコントローラ1192は、ALU1191の動作を制御する
ための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ1194は、CPUのプログラ
ム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク
状態から判断し、処理する。レジスタコントローラ1197は、レジスタ1196のアド
レスを生成し、CPUの状態に応じてレジスタ1196の読み出しや書き込みを行なう。
The ALU controller 1192, the interrupt controller 1194, the register controller 1197, and the timing controller 1195 perform various controls based on the decoded instruction. Specifically, the ALU controller 1192 generates a signal for controlling the operation of the ALU 1191. Further, the interrupt controller 1194 determines and processes an interrupt request from an external input / output device or a peripheral circuit from the priority or the mask state while the program of the CPU is being executed. The register controller 1197 generates an address of the register 1196 and performs reading and writing of the register 1196 according to the state of the CPU.

また、タイミングコントローラ1195は、ALU1191、ALUコントローラ119
2、インストラクションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、および
レジスタコントローラ1197の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタ
イミングコントローラ1195は、基準クロック信号CLK1を元に、内部クロック信号
CLK2を生成する内部クロック生成部を備えており、クロック信号CLK2を上記各種
回路に供給する。
The timing controller 1195 also includes an ALU 1191 and an ALU controller 119.
2. Generate a signal that controls the operation timing of the instruction decoder 1193, the interrupt controller 1194, and the register controller 1197. For example, the timing controller 1195 includes an internal clock generation unit that generates an internal clock signal CLK2 based on a reference clock signal CLK1, and supplies the clock signal CLK2 to the various circuits.

図24(A)に示すCPUでは、レジスタ1196に、記憶素子(メモリセル)が設けら
れている。レジスタ1196の記憶素子(メモリセル)には、実施の形態5乃至実施の形
態7に記載されている記憶素子(メモリセル)を用いることができる。
In the CPU illustrated in FIG. 24A, the register 1196 is provided with a memory element (memory cell). The memory element (memory cell) described in any of Embodiments 5 to 7 can be used for a memory element (memory cell) of the register 1196.

図24(A)に示すCPUにおいて、レジスタコントローラ1197は、ALU1191
からの指示に従い、レジスタ1196における保持動作の選択を行う。すなわち、レジス
タ1196が有する記憶素子において、位相反転素子によるデータの保持を行うか、容量
素子によるデータの保持を行うかを、レジスタコントローラ1197は選択する。位相反
転素子によるデータの保持が選択されている場合、レジスタ1196内の記憶素子への、
電源電圧の供給が行われる。容量素子におけるデータの保持が選択されている場合、容量
素子へのデータの書き換えが行われ、レジスタ1196内の記憶素子への電源電圧の供給
を停止することができる。
In the CPU shown in FIG. 24A, the register controller 1197 is an ALU 1191.
In accordance with the instruction from, the selection of the holding operation in the register 1196 is performed. That is, in the memory element included in the register 1196, the register controller 1197 selects whether data is held by the phase inverting element or data is held by the capacitor. If retention of data by the phase inverting element is selected, the storage element in the register 1196
Supply of power supply voltage is performed. When retention of data in the capacitor is selected, data rewriting to the capacitor is performed, and supply of the power supply voltage to the storage element in the register 1196 can be stopped.

電源停止に関しては、図24(B)または図24(C)に示すように、記憶素子群と、電
源電位VDDまたは電源電位VSSの与えられているノード間に、スイッチング素子を設
けることにより行うことができる。以下に図24(B)および図24(C)の回路の説明
を行う。
With respect to power supply stop, as shown in FIG. 24B or 24C, a switching element is provided between the memory element group and a node to which the power supply potential VDD or the power supply potential VSS is applied. Can. The circuits in FIGS. 24B and 24C will be described below.

図24(B)および図24(C)では、記憶素子への電源電位の供給を制御するスイッチ
ング素子に、酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタを含む記憶回路の構
成の一例を示す。
FIGS. 24B and 24C illustrate an example of a structure of a memory circuit including a transistor in which an oxide semiconductor is used for a channel formation region as a switching element for controlling supply of power supply potential to the memory element.

図24(B)に示す記憶装置は、スイッチング素子1141と、記憶素子1142を複数
有する記憶素子群1143とを有している。具体的に、各記憶素子1142には、先の実
施の形態に記載されている記憶素子を用いることができる。記憶素子群1143が有する
各記憶素子1142には、スイッチング素子1141を介して、ハイレベルの電源電位V
DDが供給されている。さらに、記憶素子群1143が有する各記憶素子1142には、
信号INの電位と、ローレベルの電源電位VSSの電位が与えられている。
The memory device illustrated in FIG. 24B includes a switching element 1141 and a memory element group 1143 including a plurality of memory elements 1142. Specifically, as each memory element 1142, the memory element described in the above embodiment can be used. Each storage element 1142 of the storage element group 1143 has a high level power supply potential V via the switching element 1141.
DD is supplied. Furthermore, each storage element 1142 of the storage element group 1143 includes
The potential of the signal IN and the potential of the low level power supply potential VSS are given.

図24(B)では、スイッチング素子1141として、酸化物半導体をチャネル形成領域
に有するトランジスタを用いており、該トランジスタは、そのゲート電極に与えられる信
号SigAによりスイッチングが制御される。
In FIG. 24B, a transistor including an oxide semiconductor in a channel formation region is used as the switching element 1141. The switching of the transistor is controlled by a signal SigA supplied to its gate electrode.

なお、図24(B)では、スイッチング素子1141がトランジスタを一つだけ有する構
成を示しているが、特に限定されず、トランジスタを複数有していても良い。スイッチン
グ素子1141が、スイッチング素子として機能するトランジスタを複数有している場合
、上記複数のトランジスタは並列に接続されていてもよいし、直列に接続されていても良
いし、直列と並列が組み合わされて接続されていてもよい。
Note that FIG. 24B illustrates a structure in which the switching element 1141 includes only one transistor; however, without particular limitation, a plurality of transistors may be included. When the switching element 1141 includes a plurality of transistors functioning as switching elements, the plurality of transistors may be connected in parallel, may be connected in series, or a combination of series and parallel May be connected.

また、図24(B)では、スイッチング素子1141により、記憶素子群1143が有す
る各記憶素子1142への、ハイレベルの電源電位VDDの供給が制御されているが、ス
イッチング素子1141により、ローレベルの電源電位VSSの供給が制御されていても
よい。
In FIG. 24B, the supply of the high-level power supply potential VDD to each storage element 1142 of the storage element group 1143 is controlled by the switching element 1141, but the switching element 1141 controls the low level. The supply of the power supply potential VSS may be controlled.

また、図24(C)には、記憶素子群1143が有する各記憶素子1142に、スイッチ
ング素子1141を介して、ローレベルの電源電位VSSが供給されている、記憶装置の
一例を示す。スイッチング素子1141により、記憶素子群1143が有する各記憶素子
1142への、ローレベルの電源電位VSSの供給を制御することができる。
FIG. 24C illustrates an example of a memory device in which the low-level power supply potential VSS is supplied to each of the memory elements 1142 in the memory element group 1143 through the switching element 1141. The switching element 1141 can control supply of the low-level power supply potential VSS to each of the storage elements 1142 of the storage element group 1143.

記憶素子群と、電源電位VDDまたは電源電位VSSの与えられているノード間に、スイ
ッチング素子を設け、一時的にCPUの動作を停止し、電源電圧の供給を停止した場合に
おいてもデータを保持することが可能であり、消費電力の低減を行うことができる。具体
的には、例えば、パーソナルコンピュータのユーザーが、キーボードなどの入力装置への
情報の入力を停止している間でも、CPUの動作を停止することができ、それにより消費
電力を低減することができる。
A switching element is provided between the memory element group and a node supplied with the power supply potential VDD or the power supply potential VSS, and the operation of the CPU is temporarily stopped and data is retained even when the supply of the power supply voltage is stopped. It is possible to reduce power consumption. Specifically, for example, even while a user of a personal computer stops inputting information to an input device such as a keyboard, the operation of the CPU can be stopped, thereby reducing power consumption. it can.

ここでは、CPUを例に挙げて説明したが、DSP(Digital Signal P
rocessor)、カスタムLSI、FPGA(Field Programmabl
e Gate Array)等のLSIにも応用可能である。
Here, although the CPU has been described as an example, the DSP (Digital Signal P)
rocessor), custom LSI, FPGA (Field Programmabl)
The present invention is also applicable to an LSI such as e Gate Array).

本実施例では、ドーパントが添加された酸化物半導体膜の断面構造について説明する。 In this embodiment, a cross-sectional structure of an oxide semiconductor film to which a dopant is added is described.

ドーパントの被添加物である酸化物半導体膜の作製方法について説明する。まず、ガラス
基板上に、スパッタリング法により酸化シリコン膜を300nm形成した。
A method for manufacturing an oxide semiconductor film which is a dopant to be doped is described. First, a silicon oxide film was formed to a thickness of 300 nm on a glass substrate by a sputtering method.

次に、酸化シリコン膜上にIn−Ga−Zn−O系材料の酸化物半導体膜(以下、IGZ
O膜)をスパッタリング法により形成した。なお、本実施例では、組成比がIn
Ga:ZnO=1:1:2[mol数比]であるターゲットを用いて、アルゴン流
量を30sccmとし、酸素流量を15sccmとし、基板温度を400℃として厚さ3
0nmのIGZO膜を形成した。また、本条件で形成したIGZO膜は、実施の形態1乃
至実施の形態3で説明したCAAC−OSである。
Next, an oxide semiconductor film of an In—Ga—Zn—O-based material (hereinafter referred to as “IGZ”) is formed over a silicon oxide film.
O film was formed by sputtering. In this example, the composition ratio is In 2 O 3 :
Using a target of Ga 2 O 3 : ZnO = 1: 1: 2 [molar ratio], the flow rate of argon is 30 sccm, the flow rate of oxygen is 15 sccm, and the substrate temperature is 400 ° C .;
An IGZO film of 0 nm was formed. The IGZO film formed under these conditions is the CAAC-OS described in Embodiment Modes 1 to 3.

次に、形成したIGZO膜中の水素を放出させるために、加熱温度を450℃とし、窒素
雰囲気下で1時間の加熱処理を行った。
Next, in order to release hydrogen in the formed IGZO film, heat treatment was performed at a heating temperature of 450 ° C. for one hour in a nitrogen atmosphere.

次に、加熱したIGZO膜にイオンインプランテーション法でドーパントを添加した。本
実施例では、ドーパントをリンイオン(31P)とし、加速電圧を20kVとし、添加
量1×1016cm−2として該IGZO膜に添加した。
Next, a dopant was added to the heated IGZO film by ion implantation. In this example, the dopant is phosphorus ion (31 P + ), the acceleration voltage is 20 kV, and the doping amount is 1 × 10 16 cm −2 and added to the IGZO film.

次に、ドーパント(リンイオン)を添加したIGZO膜に対して、加熱温度を650℃と
し、1時間の加熱処理を行った。なお、本実施例では、ドーパントを添加した後に行う加
熱処理において、窒素雰囲気下で行った場合のIGZO膜を試料1とし、酸素雰囲気下で
行った場合のIGZO膜を試料2とする。
Next, with respect to the IGZO film to which the dopant (phosphorus ion) was added, the heating temperature was set to 650 ° C., and heat treatment was performed for 1 hour. In this embodiment, in the heat treatment performed after the addition of the dopant, the IGZO film in the nitrogen atmosphere is sample 1, and the IGZO film in the oxygen atmosphere is sample 2.

透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscop
e:TEM)を用いて、試料1および試料2の断面TEM観察を行った。なお、比較例と
してドーパントを添加した後に加熱処理を行わなかったIGZO膜についてもTEMを用
いて、その断面を観察した。図19(A)は比較例の断面TEM像を示し、図19(B)
は試料1の断面TEM像を示し、図19(C)は試料2の断面TEM像を示す。なお、図
19(A)乃至図19(C)は、倍率800万倍で観察した断面TEM像である。
Transmission electron microscope (Transmission Electron Microscop
e: TEM was used to carry out cross-sectional TEM observation of Sample 1 and Sample 2. As a comparative example, the cross section of the IGZO film not subjected to the heat treatment after the addition of the dopant was also observed using a TEM. FIG. 19 (A) shows a cross-sectional TEM image of a comparative example, and FIG. 19 (B).
Shows a cross-sectional TEM image of the sample 1, and FIG. 19 (C) shows a cross-sectional TEM image of the sample 2. 19A to 19C are cross-sectional TEM images observed at a magnification of 8,000,000.

図19(A)には格子像が観察されず、また、比較例の電子線回折パターン(図示せず)
はハローパターンであった。このことから比較例は非晶質であることが確認された。
A grating image is not observed in FIG. 19A, and an electron diffraction pattern (not shown) of the comparative example.
Was a hello pattern. From this, it was confirmed that the comparative example was amorphous.

図19(B)には格子像が確認されることから、試料1は結晶部を有していることが確認
された。また、試料1の電子線回折パターン(図示せず)は、電子線が照射される位置に
よって異なる回折パターンがあった。特に、図19(B)において、IGZO膜のコント
ラストが異なるところは、結晶配向が異なっていた。したがって、試料1は、複数の結晶
部を有していることが確認された。
Since the lattice image is confirmed in FIG. 19B, it is confirmed that the sample 1 has a crystal part. Moreover, the electron beam diffraction pattern (not shown) of the sample 1 had a diffraction pattern which is different depending on the position where the electron beam is irradiated. In particular, in FIG. 19 (B), the crystal orientations of the IGZO films were different at the places where the contrasts were different. Therefore, it was confirmed that sample 1 has a plurality of crystal parts.

図19(C)には格子像が確認されることから、試料2は結晶部を有していることが確認
された。また、図19(C)および試料2の電子線回折パターン(図示せず)から、IG
ZO膜の表面を含む領域はc軸配向を有する結晶部であることが確認された。さらに、該
c軸配向を有する結晶部は非単結晶であることから、IGZO膜の表面を含む領域はCA
AC−OSであるといえ、IGZO膜の表面から少なくとも2nmは形成されていた。そ
して、IGZO膜の表面を含む領域以外は、試料1と同様に複数の結晶部を有しているこ
とが確認された。
Since the lattice image is confirmed in FIG. 19C, it is confirmed that the sample 2 has a crystal part. Also, from FIG. 19 (C) and an electron diffraction pattern (not shown) of sample 2, IG
It was confirmed that the region including the surface of the ZO film is a crystal part having c-axis orientation. Furthermore, since the crystal part having the c-axis orientation is non-single crystal, the region including the surface of the IGZO film is CA.
Although it is said that it is AC-OS, at least 2 nm was formed from the surface of the IGZO film. And it was confirmed that it has a plurality of crystal parts like sample 1 except a field including the surface of an IGZO film.

以上より、酸化物半導体膜にドーパントを添加した後に行う加熱処理を行うことで、複数
の結晶部を有する酸化物半導体膜を形成できることが確認できた。さらに、該加熱処理の
雰囲気によって、形成する酸化物半導体膜の表面を含む領域に、非単結晶であり、かつc
軸配向を有する結晶部を含む酸化物半導体(CAAC−OS)を形成できることが確認で
きた。
From the above, it was confirmed that an oxide semiconductor film having a plurality of crystal parts can be formed by performing heat treatment performed after adding a dopant to the oxide semiconductor film. Furthermore, non-single crystal is formed in a region including the surface of the oxide semiconductor film to be formed by an atmosphere of the heat treatment.
It has been confirmed that an oxide semiconductor (CAAC-OS) including a crystal part having an axial orientation can be formed.

100 トランジスタ
101 基板
102 下地絶縁膜
103 酸化物半導体膜
105 第1の領域
107a 酸化物半導体領域
107b 酸化物半導体領域
109a 酸化物半導体領域
109b 酸化物半導体領域
111 ゲート絶縁膜
112 導電膜
113 第1の電極
116a 開口部
116b 開口部
117 層間絶縁膜
119a 第2の電極
119b 第3の電極
121 ゲート絶縁膜
123a 第2の領域
123b 第2の領域
130 酸化物半導体膜
131 酸化物半導体膜
132 酸化物半導体膜
140 酸化物半導体膜
150 ドーパント
160 トランジスタ
170 トランジスタ
200 トランジスタ
207a 酸化物半導体領域
207b 酸化物半導体領域
209a 酸化物半導体領域
209b 酸化物半導体領域
214a 酸化物半導体領域
214b 酸化物半導体領域
215 サイドウォール絶縁膜
223a 第3の領域
223b 第3の領域
260 トランジスタ
270 トランジスタ
1100 メモリセル
1110 メモリセルアレイ
1111 駆動回路
1112 読出し回路
1113 駆動回路
1120 メモリセルアレイ
1130 メモリセル
1131 トランジスタ
1132 容量素子
1140 メモリセルアレイ
1141 スイッチング素子
1142 記憶素子
1143 記憶素子群
1150 メモリセル
1151 トランジスタ
1152 トランジスタ
1153 トランジスタ
1154 トランジスタ
1155 トランジスタ
1156 トランジスタ
1160 トランジスタ
1161 トランジスタ
1162 トランジスタ
1163 トランジスタ
1164 トランジスタ
1170 メモリセル
1171 トランジスタ
1172 トランジスタ
1173 容量素子
1180 メモリセル
1181 トランジスタ
1182 トランジスタ
1183 容量素子
1189 ROMインターフェース
1190 基板
1191 ALU
1192 ALUコントローラ
1193 インストラクションデコーダ
1194 インタラプトコントローラ
1195 タイミングコントローラ
1196 レジスタ
1197 レジスタコントローラ
1198 バスインターフェース
1199 ROM
100 transistor 101 substrate 102 base insulating film 103 oxide semiconductor film 105 first region 107 a oxide semiconductor region 107 b oxide semiconductor region 109 a oxide semiconductor region 109 b oxide semiconductor region 111 gate insulating film 112 conductive film 113 first electrode 116a Opening 116b Opening 117 Interlayer insulating film 119a Second electrode 119b Third electrode 121 Gate insulating film 123a Second region 123b Second region 130 Oxide semiconductor film 131 Oxide semiconductor film 132 Oxide semiconductor film 140 Oxide semiconductor film 150 Dopant 160 Transistor 170 Transistor 200 Transistor 207a Oxide semiconductor region 207b Oxide semiconductor region 209a Oxide semiconductor region 209b Oxide semiconductor region 214a Oxide semiconductor region 214b Oxide semiconductor Body region 215 sidewall insulating film 223a third region 223b third region 260 transistor 270 transistor 1100 memory cell 1110 memory cell array 1111 drive circuit 1112 read circuit 1113 drive circuit 1120 memory cell array 1130 memory cell 1131 transistor 1132 capacitive element 1140 memory cell array 1141 switching element 1142 storage element 1143 storage element group 1150 memory cell 1151 transistor 1152 transistor 1153 transistor 1154 transistor 1155 transistor 1156 transistor 1160 transistor 1161 transistor 1162 transistor 1163 transistor 1164 transistor 1170 memory cell 1171 transistor 1172 Register 1173 capacitive element 1180 memory cell 1181 transistors 1182 transistors 1183 capacitive element 1189 ROM interface 1190 substrate 1191 ALU
1192 ALU controller 1193 instruction decoder 1194 interrupt controller 1195 timing controller 1196 registers 1197 register controller 1198 bus interface 1199 ROM

Claims (2)

酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上方の、ゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上方の、ゲート電極と、
前記ゲート電極上方の、絶縁膜と、
ソース電極と、
ドレイン電極と、を有し、
前記ソース電極は、前記ゲート絶縁膜及び前記絶縁膜から露出した前記酸化物半導体膜の表面の第1部分と接し、
前記ドレイン電極は、前記ゲート絶縁膜及び前記絶縁膜から露出した前記酸化物半導体膜の表面の第2部分と接し、
前記酸化物半導体膜は、前記ゲート絶縁膜を介して、前記ゲート電極と重なる第1の領域を有し、
前記酸化物半導体膜は、前記ソース電極と重なる領域を有する第2の領域を有し、
前記酸化物半導体膜は、前記ドレイン電極と重なる領域を有する第3の領域を有し、
前記酸化物半導体膜は、In、Ga、及びZnを有し、
前記第1の領域乃至前記第3の領域は、それぞれ、複数の結晶を有し、
前記第1の領域の複数の結晶はそれぞれ、c軸配向性を有し、
前記第2の領域における複数の結晶は、前記第2の領域の表面側と、前記第2の領域の下側とで異なる結晶構造を有し、
前記第3の領域における複数の結晶は、前記第3の領域の表面側と、前記第3の領域の下側とで異なる結晶構造を有し、
前記第2の領域は、リン、砒素、アンチモン、又はホウ素を有し、
前記第3の領域は、リン、砒素、アンチモン、又はホウ素を有し、
前記第2の領域の表面は、前記第1部分を有し、
前記第3の領域の表面は、前記第2部分を有することを特徴とする半導体装置。
An oxide semiconductor film,
A gate insulating film above the oxide semiconductor film;
A gate electrode above the gate insulating film,
An insulating film above the gate electrode;
A source electrode,
And a drain electrode,
The source electrode is in contact with the gate insulating film and a first portion of the surface of the oxide semiconductor film exposed from the insulating film.
The drain electrode is in contact with the gate insulating film and a second portion of the surface of the oxide semiconductor film exposed from the insulating film.
The oxide semiconductor film has a first region overlapping with the gate electrode through the gate insulating film,
The oxide semiconductor film includes a second region having a region overlapping with the source electrode,
The oxide semiconductor film includes a third region having a region overlapping with the drain electrode,
The oxide semiconductor film includes In, Ga, and Zn.
Each of the first to third regions has a plurality of crystals,
Each of the plurality of crystals in the first region has c-axis orientation,
The plurality of crystals in the second region have different crystal structures on the surface side of the second region and the lower side of the second region,
The plurality of crystals in the third region have different crystal structures on the surface side of the third region and the lower side of the third region,
The second region comprises phosphorous, arsenic, antimony or boron,
The third region comprises phosphorous, arsenic, antimony or boron,
The surface of the second region has the first portion,
The surface of the said 3rd area | region has a said 2nd part, The semiconductor device characterized by the above-mentioned.
酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上方の、ゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上方の、ゲート電極と、
前記ゲート電極上方の、絶縁膜と、
ソース電極と、
ドレイン電極と、を有し、
前記ソース電極は、前記ゲート絶縁膜及び前記絶縁膜から露出した前記酸化物半導体膜の表面の第1部分と接し、
前記ドレイン電極は、前記ゲート絶縁膜及び前記絶縁膜から露出した前記酸化物半導体膜の表面の第2部分と接し、
前記酸化物半導体膜は、前記ゲート絶縁膜を介して、前記ゲート電極と重なる第1の領域を有し、
前記酸化物半導体膜は、前記ソース電極と重なる領域を有する第2の領域を有し、
前記酸化物半導体膜は、前記ドレイン電極と重なる領域を有する第3の領域を有し、
前記酸化物半導体膜は、In、Ga、及びZnを有し、
前記第1の領域乃至前記第3の領域は、それぞれ、複数の結晶を有し、
前記第1の領域の複数の結晶はそれぞれ、c軸配向性を有し、
前記第2の領域の表面側の複数の結晶はそれぞれ、c軸配向性を有し、
前記第2の領域の下側の複数の結晶は、互いに配向が異なり、
前記第3の領域の表面側の複数の結晶はそれぞれ、c軸配向性を有し、
前記第3の領域の下側の複数の結晶は、互いに配向が異なり、
前記第2の領域は、リン、砒素、アンチモン、又はホウ素を有し、
前記第3の領域は、リン、砒素、アンチモン、又はホウ素を有し、
前記第2の領域の表面は、前記第1部分を有し、
前記第3の領域の表面は、前記第2部分を有することを特徴とする半導体装置。
An oxide semiconductor film,
A gate insulating film above the oxide semiconductor film;
A gate electrode above the gate insulating film,
An insulating film above the gate electrode;
A source electrode,
And a drain electrode,
The source electrode is in contact with the gate insulating film and a first portion of the surface of the oxide semiconductor film exposed from the insulating film.
The drain electrode is in contact with the gate insulating film and a second portion of the surface of the oxide semiconductor film exposed from the insulating film.
The oxide semiconductor film has a first region overlapping with the gate electrode through the gate insulating film,
The oxide semiconductor film includes a second region having a region overlapping with the source electrode,
The oxide semiconductor film includes a third region having a region overlapping with the drain electrode,
The oxide semiconductor film includes In, Ga, and Zn.
Each of the first to third regions has a plurality of crystals,
Each of the plurality of crystals in the first region has c-axis orientation,
Each of the plurality of crystals on the surface side of the second region has c-axis orientation,
The plurality of crystals below the second region are different in orientation from one another,
Each of the plurality of crystals on the surface side of the third region has c-axis orientation,
The plurality of crystals below the third region are different in orientation from one another,
The second region comprises phosphorous, arsenic, antimony or boron,
The third region comprises phosphorous, arsenic, antimony or boron,
The surface of the second region has the first portion,
The surface of the said 3rd area | region has a said 2nd part, The semiconductor device characterized by the above-mentioned.
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